红外技术应用

2014-01-02 admin1 5960

  目前红外技术作为一种高技术,它与激光技术并驾齐驱,在军事上占有举足轻重的地位。红外成像、红外侦察、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外对抗等在现代和未来战争中都是很重要的战术和战略手段。在70年代以后,军事红外技术又逐步向民用部门转化。红外加热和干燥技术广泛应用于工业、农业、医学、交通等各个行业和部门。红外测温、红外测湿、红外理疗、红外检测、红外报警、红外遥感、红外防伪更是各行业争相选用的先进技术。标志红外技术最新成就的红外热成像技术,它与雷达、电视一起构成当代三大传感系统,尤其是焦平面列阵技术的采用,将使它发展成可与眼睛相媲美的凝视系统。

  1672 年,牛顿使用分光棱镜把太阳光(白光)分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色单色光,证实了太阳光(白光)是由各种颜色的光复合而成。1800年,英国物理学家F. W. 赫胥尔从热的观点来研究各种色光时,偶然发现放在光带红光外的一支温度计,比其他色光温度的指示数值高。经过反复试验,这个所谓热量最多的高温区,总是位于光带最边缘处红光的外面。于是他宣布:太阳发出的辐射中除可见光线外,还有一种人眼看不见的“热线”,这种看不见的“热线”位于红色光外侧,叫做红外线。这种红外线,又称红外辐射,是指波长为0.78~1000μm的电磁波。其中波长为0.78 ~1.5μm 的部分称为近红外,波长为1.5 ~10μm的部分称为中红外,波长为10~1000μm的部分称为远红外线。而波长为2.0 ~1000μm的部分,也称为热红外线。

  红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种,是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射,它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。这种红外线辐射是,基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动,并不停地辐射出热红外能量。分子和原子的运动愈剧烈,辐射的能量愈大;反之,辐射的能量愈小。

  红外线特性

  红外线具有热效应:生物体中的偶极子和自由电荷在电磁场的作用下,有按电磁场方向排列的趋势。在此过程中,引发分子,原子无规则运动加剧而产生热。当红外辐射有足够强度时,即超过了生物体的散热能力,就会使被照射机体局部温度升高,这是红外线的热效应。

  理论分析和实验研究表明,不仅太阳光中有红外线,而且任何温度高与绝对零度的物体(如人体等)都在不停地辐射红外线。就是冰和雪,因为它们的温度也源源高与绝对零度,所以也在不断的辐射红外线。因此,红外线的最大特点是普遍存在于自然界中。也就是说,任何“热”的物体虽然不发光但都能辐射红外线。因此红外线又称为热辐射线简称热辐射。

  红外线和可见光相比的另一个特点是,色彩丰富多样,。由于可见光的最长波长是最短波长的1倍 (780nm~380nm),所以也叫作一个倍频程。而红外线的最长波长是最短波长的10倍,即具有10个倍频程。因此,如果可见光能表现为7种颜色,则红外线便可能表现70种颜色,显示了丰富的色彩。

  红外线是一种电磁辐射,具有与可见光相似的特性,服从反射和折射定律,也有干涉、衍射和偏振等现象;同时,它又具有粒子性,即它可以光量子的形式发射和吸收。此外,红外线还有一些与可见光不一样的独有特性:

  (1) 红外线对人的眼睛不敏感,所以必须用对红外线敏感的红外探测器才能接收到;

  (2) 红外线的光量子能量比可见光的小,例如10μm波长的红外光子的能量大约是可见光光子能量的1/20;

  (3) 红外线的热效应比可见光要强得多;

  (4) 红外线更易被物质所吸收,但对于薄雾来说,长波红外线更容易通过。

  红外技术的发展

  19世纪:研究天文星体的红外辐射,应用红外光谱进行物质分析。20世纪:红外技术首先受到军事部门的关注,因为它提供了在黑暗中观察、探测军事目标自身辐射及进行保密通讯的可能性。

  第一次世界大战期间研制了一些实验性红外装置,如信号闪烁器、搜索装置等。第二次世界大战前夕,德国:红外显像管; 战争期间:德国,美国:红外辐射源、窄带滤光片、红外探测器、红外望远镜、测辐射热计等。

  第二次世界大战后:前苏联。50年代以后,美国:响尾蛇导弹上的寻的器制导装置和u—2间谍飞机上的红外照相机代表着当时军用红外技术的水平。前视红外装置 (FLIR)获得了军界的重视,并广泛使用:机载前视红外装置能在1500m上空探测到人、小型车辆和隐蔽目标,在20000 m高空能分辨出汽车,特别是能探测水下40m深处的潜艇。

  在海湾战争中,红外技术,特别是热成像技术在军事上的作用和威力得到充分显示。

  红外探测技术

  2.1 红外探测器

  2.1.1 物理学的进展与红外探测器

  红外辐射与物质(材料)相互作用产生各种效应。100多年来,从经典物理到20世纪开创的近代物理,特别是量子力学、半导体物理等学科的创立,到现代的介观物理、低维结构物理等等,有许多而且越来越多可用于红外探测的物理现象和效应。

  2.1.1.1热探测器:

  热辐射引起材料温度变化产生可度量的输出。有多种热效应可用于红外探测器。

  (1)热胀冷缩效应的液态的水银温度计、气态的高莱池(Golay cell);

  (2)温差电(Seebeck)效应。可做成热电偶和热电堆,主要用于测量仪器。

  (3)共振频率对温度的敏感可制作石英共振器非致冷红外成像阵列。

  (4) 材料的电阻或介电常数的热敏效应--辐射引起温升改变材料电阻用以探测热辐射- 测辐射热计(Bolometer):半导体有高的温度系数而应用最多,常称 " 热敏电阻"。利用转变温度附近电阻巨变的超导探测器引起重视。如果室温度超导成为现实,将是21世纪最引人注目的探测器。

  (5)热释电效应:快速温度变化使晶体自发极化强度改变,表面电荷发生变化,可作成热释电探测器。 热探测器一般不需致冷( 超导除外 )而易于使用、维护,可靠性好;光谱响应与波长无关,为无选择性探测器;制备工艺相对简易,成本较低。但灵敏度低,响应速度慢。热探测器性能限制的主要因素是热绝缘的设计问题。

  2.1.1.2光电探测器:

  红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子(电子或空穴),引起电学性能变化。因为载流子不逸出体外,所以称内光电效应。量子光电效应灵敏度高,响应速度比热探测器快得多,是选择性探测器。为了达到最佳性能,一般都需要在低温下工作。光电探测器可分为:

  (1) 光导型:又称光敏电阻。入射光子激发均匀半导体中的价带电子越过禁带进入导带并在价带留下空穴,引起电导增加,为本征光电导。从禁带中的杂质能级也可激发光生载流子进入导带或价带,为杂质光电导。截止波长由杂质电离能决定。量子效率低于本征光导,而且要求更低的工作温度。

  (2)光伏型:主要是p-n结的光生伏特效应。能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。存在的结电场使空穴进入p区,电子进入 n 区,两部分出现电位差。外电路就有电压或电流信号。与光导探测器比较,光伏探测器背影限探测率大于40%;不需要外加偏置电场和负载电阻,不消耗功率,有高的阻抗。这些特性给制备和使用焦平面阵列带来很大好处。

  (3)光发射-Schottky势垒探测器:金属和半导体接触,典型的有 PtSi/Si结构,形成Schott ky势垒,红外光子透过Si层为PtSi吸收,电子获得能量跃上 Fermi能级,留下空穴越过势垒进入Si衬底,PtSi层的电子被收集,完成红外探测。充分利用Si集成技术,便于制作,具有成本低、均匀性好等优势,可做成大规模(1024×1024甚至更大)焦平面阵列来弥补量子效率低的缺陷。有严格的低温要求。用这类探测器,国内外已生产出具有像质良好的热像仪。 Pt Si/Si结构FPA是最早制成的IRFPA。

  (4)量子阱探测器(QWIP):将两种半导体材料A和B用人工方法薄层交替生长形成超晶格,在其界面,能带有突变。电子和空穴被限制在低势能阱A层内,能量量子化,称为量子阱。利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。90年代以来发展很快,已有512×512、64 0×480规模的QWIP GaAs/AlGaAs焦平面制成相应的热像仪诞生。因为入射辐射中只有垂直于超晶格生长面的电极化矢量起作用,光子利用率低;量子阱中基态电子浓度受掺杂限制,量子效率不高;响应光谱区窄;低温要求苛刻。人们正深入研究努力加以改进,可望与碲镉汞探测器一争高低。

  2.1.2新技术飞速发展促进红外探测器更新换代

  60 年代以前多为单元探测器扫描成像,但灵敏度低,二维扫描系统结构复杂笨重。增加探测元,例如有N元组成的探测器,灵敏度增加N1/2倍,一个M×N阵列,灵敏度增长(M×N)1/2倍。元数增加还将简化光机扫描机构,大规模凝视焦平面阵列,不再需要光机扫描,大大简化整机系统。现代探测器技术进入第二、第三代,重要标志之一就是元数大大增加。另一方面是开发同时覆盖两个波段以上的双色和多光谱探测器。所有进展都离不开新技术特别是半导体技术的开发和进步。几项具有里程碑意义的技术有:

  (1)半导体精密光刻技术 使探测器技术由单元向多元线列探测器迅速发展,即后来称为第一代探测器。

  (2)Si集成电路技术 Si读出电路与光敏元大面阵耦合,诞生了所谓第二代的大规模红外焦平面阵列探测器 。更进一步有Z平面和灵巧型智能探测器等新品种。此项技术还诱导产生非制冷焦平面阵列 ,使一度冷落的热探测器重现勃勃生机。

  (3)先进的薄层材料生长技术 分子束外延、金属有机化学汽相淀积和液相外延等技术可重复、精密控制生长大面积高度均匀材料,使制备大规模红外焦平面阵列成为可能。也是量子阱探测器出现的前提。

  (4)微型制冷技术 高性能探测器低温要求驱动微型制冷机的开发,制冷技术又促进了探测器的研制和应用。

  我国红外探测器研制从1958年开始,至今已40多年。先后研制过PbS、PbSe、Ge:Au、Ge:Hg 、InSb、PbSnTe、HgCdTe、PtSi/Si、GaAs/AlGaAs量子阱和热释电探测器等。 随着低维材料出现,纳米电子学、光电一体化等技术日新月异,21世纪红外探测器必有革命性的进展。物理学及材料科学是现代技术发展的主要基础,现代技术飞速发展对物理学研究 又有巨大的反作用。

  4、高性能红外探测器-碲镉汞探测器

  1959年,英国Lawson等首先制成可变带隙Hg1-xCdxTe固溶体合金,提供了红外探测器设计空前的自由度。

  碲镉汞有三大优势:

  1)本征激发、高的吸收系数和高的量子效率(可超过80%)且有高的探测率;

  2)其最吸引人的特性是改变Hg、Cd配比调节响应波段,可以工作在各个红外光谱区段并获得最佳性能。而且晶格参数几乎恒定不变,对制备复合禁带异质结结构新器件特别重要

  3)同样的响应波段,工作温度较高,可工作的温度范围也较宽。

  碲镉汞中,弱Hg-Te键(比Cd-Te键弱约30%),可通过热处理或特定途径形成P或N型,并可完成转型。其电学性质如1载流子浓度低,2少数载流子寿命长,3电子空穴有效质量比大(~10.0),电子迁移率高,4介电常数小等有利于探测器性能。

  第一代碲镉汞探测器主要是多元光导型,美国采用60、120和180元光导探测器作为热像仪通用组件,英国则以70年代中期开发的SPRITE为通用组件。 SPRITE是一种三电极光导器件,利用半导体中非平衡载流子扫出效应,当光点扫描速度与载流子双极漂移速度匹配,使探测器在完成辐射探测的同时实现信号的时间延迟积分功能。8条SPRIET的性能可相当100元以上的多元探测器。结构、制备工艺和后续电子学大大简化。现有技术又克服了高光机扫描速度和空间分辨率受限制等两个缺陷。

  1992年诞生了第一台国产化通用组件高性能热像仪,SPRITE探测器研制成功是关键。到90年代初,第一代碲镉汞光导探测器纷纷完成技术鉴定,性能达到世界先进水平。

  兵器工业211所的SPRITE、32和60元探测器已实用化并投入批量生产,规模和市场不断扩大。国外在80年代就已大批量生产。由于电极、杜瓦瓶设计和制冷机方面的重重困难,第一代碲镉汞探测器元数一般无法超过200。大的碲镉汞光敏阵列和Si读出集成电路分别制备并最佳化,然后两者进行电学耦合和机械联结形成混合式焦平面阵列,就是第二代碲镉汞探测器。

  目前国际上已研制出256×256甚至640×480规模的长波IRFPA。中波红外已有用于天文的1024×1024的规模,现阶段典型产品是法国的4N系列288×4扫描式FPA。国内仍处于研制开发阶段。晶体碲镉汞材料也有鲜明的弱势:

  1)相图液线和固线分离大,分凝引起径向、纵向组分不均匀;

  2)高Hg压使大直径晶体生长困难,晶格结构完整性差;

  3)重复生产成品率低。薄膜材料的困难在于难以获得理想的CdZnTe衬底材料。

  人们致力于研究替代衬底,如PACE(Producible Alternative to CdTe for Epitaxy )- I ( HgCdTe / CdTe/ 宝石),PACE-II(HgCdTe/C dTe/GaAs)和PACE-III(HgCdTe/CdTe/Si)。日本和法国还报道Ge衬底,目标是与MCT的晶格 匹配并有利于与Si读出线路的耦合。 优质碲镉汞材料制备困难、均匀性差、器件工艺特殊,成品率低,因而成本高一直是困扰碲镉汞IRFPA的主要障碍。人们始终没有放弃寻找材料的努力,但迄今还没有一种新材料能超过碲镉汞的基本优点。为满足军事应用更高的性能要求,碲镉汞FPA仍然是首选探测器。

  5、非致冷焦平面阵列 (UFPA)红外探测器

  非制冷焦平面阵列省去了昂贵的低温制冷系统和复杂的扫描装置,敏感器件以热探测器为主。突破了历来热像仪成本高昂的障碍,"使传感器领域发生变革"。另外,它的可靠性也大大提高、维护简单、工作寿命延长,因为低温制冷系统和复杂扫描装置常常是红外系统的故障源。非致冷探测器的灵敏度(D)比低温碲镉汞要小1 个量级以上,但是以大的焦平面阵列来弥补,便可和第一代MCT探测器争雄。对许多应用,特别是监视与夜视而言已经足够。广阔的准军事和民用市场更是它施展拳脚的领域。为避免大量投资,把硅集成电路工艺引入低成本、非制冷红外探测器开发生产,制造大型高密度阵列和推进系统集成化的信号处理,即大规模焦平面阵列技术,潜力十分巨大。正因为如此,单元性能较低的热电探测器又重新引人注目,而且可能成为21世纪最具竞争力的探测器之一。目前发展最快、前景看好的有两类UFPA:

  (1)热释电FPA。热释电探测器的研究早在60年代和70年代就颇为盛行,有过多种材料,较新型的有钛酸锶钡(BST)陶瓷和钛酸钪铅(PST)等。美国TI公司推出的328×240钛酸锶钡(BST)FPA已形成产品,NETD优于0.1K,有多种应用。计划中还有 640×480的FPA,发展趋势是将铁电材料薄膜淀积于硅片上,制成单片式热释电焦平面,有很高的潜在性能,可望实现1000×1000阵列的优质成像。

  (2)微测辐射热计(Microbolometer)。它是在IC-CMOS硅片上以淀积技术,用Si3N4支撑有高电阻温度系数和高电阻率的热敏电阻材料Vox或α-Si,做成微桥结构器件(单片式FPA)。接收热辐射引起温度变化而改变阻值,直流耦合无须斩波器,仅需一半导体制冷器保持其稳定的工作温度。90年代初,由Honeywell公司首先开发,研制成工作在8μm~14μm的320×240 UFPA,并以此制成实用的热像系统,NETD已达到0.1K以下,可望在近期达到0.02K。此类FPA90年代发展神速,成为热点。与热释电UFPA 比较,微测辐射热计采用硅集成工艺,制造成本低廉;有好的线性响应和高的动态范围;像元间好的绝缘而有低的串音和图像模糊;低的1/f噪声;以及高的帧速和潜在高灵敏度(理论NETD可达0.01K)。其偏置功率受耗散功率限制和大的噪声带宽不足以与热释电相比。

  再结合载机和目标空间运动的几何关系方程组,联立可迭代求解目标的距离和速度初值,然后根据公式(6)可对目标的后续采样点进行递推求解,这为满足实时解算打下了基础。还可用滤波算法来进行平滑和外推处理,提高精度。

  通过红外探测器测量目标在两个波段、两个采样时刻上的辐射通量,就可以解算出目标距离和径向速度。

  2.3 红外探测发展前景

  为了满足红外信息获取技术发展需求,美国等发达国家在频谱波段上积极探索。无缝隙探测”.在微波/毫米波、可见光/中波红外/长波红外等波段探测方面取得了很大迸展.

  2.3.1 红外焦平面阵列技术

  首先在美国、法国等发达国家,基于窄禁带半导体蹄福汞材料的单波段红外焦平面器件技术已经成熟,以288×4元长波和256×256元中波为代表的焦平面器件已基本取代了多元光导线列通用组件.256×256元蹄福汞焦平面探测器已实现工程应用.并已经向更大规模的凝视型面谇焦平面探测器、双色探测器发展. 长波器件已达到256×256元的规模,中、短波器件达到了512×512元甚至2048×2048元的规模,长线阵的扫描型焦平面因其在空问对地观测方面需求而受到高度重视,针对不同应用目标,1500远红外中长波、3000远红外短波、4000远红外长波以及6000远红外中、短波长线列焦平面器件纷纷问世。

  红外焦平面器件技术,不但要发展基于材料温度特性的硅Bolometer和铁电材料热释电或热容性红外焦平面器件,还要着力发展基于微光机电技术的热机械应变式红外焦平面器件。同时通过新型材料的探索,将优异的器件结构和材料特性有效地组合构成性能更为优越的焦平面器件,形成了当前发展的重要方向之一.例如,法国的大型红外焦平面阵列(TRFPA)和双波段红外焦平面阵列技术以及小像素非晶硅非制冷探测器技术研究已经取得了一定的进展.

  2.3.2 红外电子物理

  红外光电子物理发展的一个焦点就是红外焦平面相关的物理问题。如以蹄福汞材料为主要研究对象的窄禁带半导体物理已获得很好的发展,直接支撑了以蹄福汞为代表的红外焦平面技术}而基于半导体微结构、纳米结构能带工程的了带物理也正在快速发展,有力地推进了以量子阱红外探测器及其它量子器件为代表的新一类焦平面技术,以光电物理为基础的新型红外探测应用材料与物理研究也在近年变得十分活跃。红外光电子物理已成为主要研究在红外波段能量范围内电磁辐射与物质相互作用,研究红外辐射和探测的原理与机制,探索新的材料和器件,为红外光电子技术提供科学基础以及直接应用的热门学科.

  到目前为止,红外预警探测系统集红外探测器技术、制冷技术和光电技术、信号处理技术、自动控制技术于一体,以无源方式工作,自身隐蔽性好抗干扰能力强探测目标范围广,已逐渐成为对来袭威胁目标预警的主要手段之一.

  2.3.3 双波段探测

  单一波段红外探测系统会由于目标伪装,环境干扰等因素导致其探测能力和准确度下降,面双波段探测器件不但可以提高系统对假目标的鉴别能力,还可以降低系统的阑值电平,提高系统的探测距离等,所以双波段探测具有较好地发展前景。例如,法国。斯皮拉尔”舰用红外警戒系统和荷兰的IRSCAN等都采用的是双波段探测.

  2.3.4 复合探测

  由于红外焦平面阵列技术已由单像元单色发展到双色,并向三色、四色的方向发展,预计年前将获得超光谱应用的能力.目前双色凝视焦平面阵列的野外测试已在进行.同时采用光谱滤波器线阵多色焦平面可实现覆盖可见光到长波红外的探测,其光谱段已可多达数十个到数百个。美国波音飞机公司电子系统和导弹防御部在这方面的研究已取得了很大的进展,波音/罗克威尔的遥感器用HgCdT-e多光谱红外焦平面PACE一1已达1024×1024元,Hawaii一2采用 2048×2048元阵列已研制出来,其像元尺寸小达18×18。

  采用雷达、红外、紫外、激光等技术的综合型复合光电探测器系统,并不断拓展其响应频谱范围,降低虚警率和提高多传感器数据融合能力,才能满足未来战场的需要.例如,美国空军研制的复合告警器,可同时探测红外、可见光、紫外及射频威胁.

 

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