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双色红外探测器的现状与发展  

2007-12-08 13:00:27|  分类: 防盗报警系统 |  标签: |举报 |字号 订阅

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红外技术有四大优点:环境适应性好,在夜间和恶劣天候下的工作能力优于可见光;隐蔽性好,不易被干扰;由于是靠目标和背景之间、目标各部分的温度和发射率差形成的红外辐射差进行探测,因而识别伪装目标的能力优于可见光;红外系统的体积小,重量轻,功耗低。

1、红外技术的地位和作用

红外技术有四大优点:环境适应性好,在夜间和恶劣天候下的工作能力优于可见光;隐蔽性好,不易被干扰;由于是靠目标和背景之间、目标各部分的温度和发射率差形成的红外辐射差进行探测,因而识别伪装目标的能力优于可见光;红外系统的体积小,重量轻,功耗低。但有三大因素制约着其效果:目标的光谱特性;探测系统的性能;目标和探测口之间的环境和距离。红外探测技术是围绕着解决以上问题发展的,例如:

  • 为充分利用大气窗口,探测器光谱响应从短波红外扩展到长波红外,实现了对室温目标的探测;
  • 探测器从单元发展到多元,从多元发展到焦平面,上了两大台阶,相应的系统实现了从点源探测到目标热成象的飞跃;
  • 系统从单波段向多波段发展;
  • 发展了种类繁多的探测器,为系统应用提供了充分的选择余地。

冷战结束后,美国进行全球战略调整,其中美军为未来作战提出的,即能将全球监视系统和通信系统以及有关数据的合成与处理集中用于某一战区,形成信息优势;在全天候、昼夜条件下能伪装和突破防线,识别和打击重要的固定和机动目标两种作战能力与红外技术密切相关。在军事需求的牵引和相关技术发展的推动下,红外技术已从过去的战术地位发展到今天的战略地位,具体表现在:

  • 红外技术是国家安全依赖的主要探测技术手段。弹道导弹和远程巡航导弹的早期预警、跟踪、识别和拦截对国家战略目标的安全至关重要;
  • 红外技术在未来军事技术中的战略地位是由其使用的广泛性和重要性决定的。今后,红外技术还将运用于迅速发展的光电对抗、光通信、定向能武器等方面;
  • 红外技术是未来高技术局部战争使用的主要技术之一。现已清楚,获得战场上的单向透明性,即获得战场信息优势,是获得战争主动权的关键因素之一,为达到此目的,红外系统现已是发达国家的陆、海、空、天各类武器系统中不可缺少的、甚至是主要的传感器。

2、双色红外探测器的现状

所有探测技术都是向获取更多目标信息的方向发展,红外技术也不例外。在大气环境中,目标的红外辐射只能在1~2.5微米、3~5微米和8~14微米三个窗口内有效传输。如果一个热成象系统能同时在其中两个波段获取目标信息,就可对复杂的背景进行抑制,提高对目标的探测效果,在预警、搜索和跟踪系统中能明显的降低虚警率,显著地提高系统的性能和在各种武器平台上的通用性,满足各军、兵种、特别是空军、海军对热象系统的需求。因大多数军用热成象系统都在中波、长波工作,所以国内外研制的多数双色探测器都是中、长波探测器。

双色探测器可应用于:导弹预警、气象、资源遥感等卫星,机载前视红外和侦察系统,武装直升机和舰载机目标指示系统,中、低空地空导弹的光电火控系统,精确制导武器的红外成像制导导引头,水面舰船的预警、火控和近程反导系统,双波段热象仪等等。

一般双波段热成象系统主要以三种方式构成:

  • 直接用两套单波段的热象系统组合而成;
  • 两个分别响应不同波段的探测器组件共用一个光学系统;
  • 用一个能响应两个波段的双色红外探测器(以下简称双色探测器)共用一个光学系统构成。

双色探测器既受单波段器件发展水平和对两波段热象系统需求的限制,又有自身从器件制备到系统应用等多方面的困难。因此总体发展水平远低于单波段同类型的探测器。例如:在1958年就研制成功了单波段的热象仪,而最早的HgCdTe双色探测器在1972年才研制出来;目前,长波HgCdTe探测器面阵已达640×480,而用多层异质结HgCdTe薄膜材料制备的、集成式的双色探测器仅达到64×64。尽管如此,3~5微米和8~14微米的两波段热象系统在欧、美等国、特别是在海、空军中已得到比较普遍的使用。在美国海军航母上的舰载战斗机F-14D装备了两波段FLIR系统。美海军研制的轻型舰用红外警戒系统,采用了能响应3~5微米和8~14微米波段的480×4元的HgCdTeFPA器件。英国则研制成功了双色SPRITE探测器,并在TICMⅡ的基础上,研制出两波段的热象仪;另外,也正在研制舰用两波段红外警戒系统。法国对舰用红外警戒系统的研制非常重视,于1977年率先研制出实用化的两波段搜索、跟踪系统"VAMPIR",并装备在两艘导弹驱逐舰上。

3、双色探测器的发展趋势

所有探测技术的发展都有三个阶段:a.探测信号的强度,得到目标的"黑白照片",这是初级阶段;b.探测信号的强度和波长,得到目标的"彩色照片",达到中级阶段;c.探测信号强度、波长和相位,得到目标的"全息照片",这才达到探测技术的高级阶段。目前的红外技术处于其初级阶段的后期,正向中级阶段发展,其标志是研制出了双(多)色红外探测器,得到了目标热图象的"彩色照片"。可以预计,今后双色探测器将随单波段探测器及其配套技术的成熟和市场需求的增加而加快发展,并将集中在以下五个方面:

3.1集成式

集成化的双色探测器有利用简化系统结构,能充分利用半导体材料制备技术的最新成果,便于器件焦平面化,其中HgCdTe合金系和各种量子阱/超晶格材料系统将得到重点发展。

3.2焦平面

采用焦平面器件,更好的满足系统的要求,同时也有利于简化系?统结构,降低成本。

3.3大阵列

为明显的提高系统的性能,双色探测器将向大面阵和长线列发展。

3.4小型化

双波段统将克服在光学设计和加工、信号处理和显示等方面的困难,缩小体积、减轻重量等,以便扩大其应用范围。
3.5多色化

随材料、器件和系统技术的进步,双色探测器将向更多的光谱波段发展,既包括拓宽光谱波段,也包括将光谱波段划分成更为细致的波段,以获得目标的"彩色"热图像,更丰富、更精确、更可靠地得到目标的信息。

编辑整理:张新房 www.zhangxinfang.com

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