多譜段集成長線列紅外探測器研究進展

孟令偉,東海杰,張 懿

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

在地球資源探測領域,紅外多光譜掃描儀是獲得信息的有效載荷,而常規的紅外多光譜掃描儀需要多個譜段的紅外探測器組件,因此,增大了紅外掃描儀載荷系統體積、重量。隨著紅外探測器技術的成熟,采用在紅外探測器內部多譜段集成方法,可以大大減少載荷體積重量,降低光學設計難度,同時,由于集成了低溫光學零件,降低了背景輻射,探測器性能也到了提升,能夠更好的滿足紅外光學系統的應用需求。

多譜段集成紅外探測器具有光譜覆蓋范圍寬,可覆蓋短波、中波、長波紅外譜段、集成譜段數多、每個譜段寬帶可選等優勢。多譜段集成紅外探測器已廣泛應用到衛星遙感載荷,在生態環境檢測、土壤質量評價,農作物分類與估產、海洋資源與生態監測、地球資源開發利用發揮重要作用。

多譜段集成長線列紅外探測器利用多通道組合濾光片對探測器芯片光譜細分,光譜方向與飛行器飛行方向一致,從而實現二維幾何成像和光譜信息的同時獲得。多譜段集成紅外探測器工作示意如圖1所示。

圖1 多譜段集成紅外探測器工作示意

2 國外多譜段集成長線列紅外探測器技術發展狀況

多譜段集成紅外探測器作為多譜段紅外光譜掃描儀的核心部件,資料報道美國、法國等紅外探測器技術先進國家都已經進行了二十余年的研究。取得了很大進展,并已成功應用于航天民用遙感和軍事領域。

2.1 美國Raytheon Vision Systems公司多譜段集成長線列紅外探測器

2.1.1 MTI紅外探測器組件

1999年,資料報道美國Raytheon公司研制了多光譜成像儀紅外探測器組件(The focal plane assembly for the Multispectral Thermal Imager)[1],探測器組件光譜覆蓋范圍0.45～10.7 μm,可見光4個譜段、近紅外3個譜段、短波3個譜段、中波2個譜段、長波3個譜段共15個譜段(如圖2所示)。探測器分別采用硅、銻化銦和碲鎘汞三種材料制備?？梢姽夂徒t外探測器每譜段陣列規模為2400×1元,銻化銦和碲鎘汞探測器探測器陣列規模均為621×1元,采用多通道濾光片進行分光。探測器譜段如表1所示,組件圖如圖2所示,探測器組件性能如表2所示。

表1 MTI成像器紅外探測器組件光譜分布

圖2 MTI 紅外探測器部件及探測器組件圖

表2 探測器組件性能

2.1.2 EO-1/ALI探測器

美國Raytheon公司為NASA′s Earth Observing-1/Advanced Land Imager(EO-1/ALI)研制了多譜段焦平面探測器[2],1997年研制的MS/PAN FPS探測器,2002年交付WFOV FPS探測器,WFOV FPS探測器陣列由5個單模塊拼接而成,探測器集成10個譜段,從可見光到紅外短波譜段,可見光使用SiPIN探測器,紅外短波譜段探測器采用碲鎘汞材料制備,紅外短波譜段探測器陣列規模25600×1元,探測器譜段分布如表3所示。EO-1/ALI探測器如圖3所示。

表3 EO-1/ALI探測器光譜分布

圖3 EO-1/ALI探測器

2.2 法國Sofradir公司研制多譜段集成長線列紅外探測器

2.2.1 PRISM長波雙譜段探測器

法國為歐洲宇航局研制了PRISM長波雙譜段探測器[3],探測器集成2個譜段,每譜段陣列規模1000×1元,波長覆蓋范圍10.3～12.3 μm。探測器由6～10個碲鎘汞光伏器件模塊拼接而成,讀出電路采用硅CCD讀出。探測器模塊拼接如圖4所示,長波雙譜段探測器性能如表4所示。

圖4 探測器拼接示意圖

表4 PRISM長波雙譜段探測器性能

2.2.2 GMES/Sentinel-2探測器

在GMES(European Global Monitoring for Environment and Security)計劃和Sentinel-2任務支撐下,Sofradir公司研制了短波多譜段探測器[4]。探測器由12個探測器子模塊拼接而成,每個模塊集成3個譜段(B10、B11、B12),探測器譜段和像元數如表5所示,探測器單模塊像元排布如圖5所示,圖6為單模塊探測器封裝圖,圖7為多譜段探測器拼接裝配圖,短波多譜段探測器性能如表6所示。

圖5 探測器單模塊像元排布

圖6 單模塊探測器封裝

圖7 多譜段探測器拼接裝配圖

表5 探測器譜段和像元數

表6 短波多譜段探測器性能

3 國內多譜段集成探測器研制情況

在國外發達國家對我國高端紅外探測器組件實行嚴密技術封鎖的情況下,通過國家的大力支持,華北光電技術研究所、上海技術物理研究所、昆明物理研究所等單位重點進行了中波、長波、短波碲鎘汞探測器組件的技術攻關,極大推進了我國碲鎘汞紅外探測器組件的技術進步[5]。在多譜段集成紅外探測器技術研究方面,上海技術物理所和華北光電技術研究所均有相關報道。

3.1 上海技術物理研究所長波雙譜段探測器

上海技術物理研究所報道了1款長波12.5 μm長線列碲鎘汞焦平面杜瓦組件[6]:256×2碲鎘汞焦平面模塊由2個256×1元芯片和2個光伏信號硅讀出電路模塊平行對稱組成,并分別與2個不同波段的微型濾光片以架橋式結構直接耦合后封裝在全金屬微型杜瓦內,形成了長波256×2長線列碲鎘汞紅外探測器件組件。光敏元陣列布局與倒裝焊如圖8所示,探測器主要性能如表7所示。

(a)光敏元陣列布局

(b)倒裝焊示意圖

表7 探測器主要性能

3.2 華北光電技術研究所多譜段探測器研究狀態

華北光電技術研究所開展多譜段長線列探測器技術研究近十年,多譜段長線列探測器已應用與GF-5號衛星全譜段光譜成像儀。

探測器工作模式為TDI型線列,TDI線列相比單線列信噪比可提高倍。全譜段光譜成像儀紅外探測器組件共集成譜段數8個,光譜覆蓋短波、中波、長波、甚長波譜段,采用2個杜瓦封裝,短波探測器每譜段陣列規模為3072×3元、中波、長波探測器每譜段陣列規模1536×3元,探測器通過集成多通道濾光片實現探測器窄帶光譜響應,探測器芯片模塊及譜段排列如圖9。全譜段成像儀探測器性能參數見表8。

全譜段光譜成像儀探測器隨GF-5號衛星成功發生,在軌運行將近2年,性能穩定,為用戶持續提供遙感數據。圖10為短波譜段地面外景成像圖,圖11為GF-5號全譜段光譜成像儀冰川冰雪監測圖。

圖9 全譜段成像儀探測器譜段排列圖

表8 全譜段成像儀探測器性能參數

圖10 短波譜段地面外景成像圖

圖11 高分五號衛星全譜段光譜成像儀冰川冰雪監測圖

4 總 結

隨著空間遙感平臺技術的發展,紅外系統載荷需要更多的譜段、更寬的光譜覆蓋、寬的視場、高的空間分辨率以及高的S/N,為此,國內多譜段集成紅外探測器技術從集成譜段數,光譜覆蓋范圍、探測器陣列規模和探測靈敏度等參數還未完全滿足紅外系統應用需求,還需要持續開展技術研究。

在多通道信號輸出讀出電路設計方面,需要進一步抑制譜段間輸出信號干擾,降低電路讀出噪聲；紅外器件研究方面,開展甚長波探測器技術研究,降低暗電流,提高探測器穩定性；在探測器陣列規模擴展方面,提高子模塊拼接精度,降低長線列拼接探測器熱應力,提高探測器可靠性；在譜段集成方面需要進一步開展多通道集成濾光片技術研究,提高濾光片光學透過率和抑制窄帶濾光片紋波深度,保證探測器高的探測靈敏度。

在國家支撐和應用的牽引下,相信在我國紅外多譜段集成線列紅外探測器技術一定會發展的越來越好,形成自主可控的創新能力,研制出滿足航天工程應用的紅外探測器產品。