“高分五号”卫星多谱段集成TDI线列红外探测器

王成刚 东海杰 刘泽巍 谢珩 李冬冰 喻松林



“高分五号”卫星多谱段集成TDI线列红外探测器

王成刚 东海杰 刘泽巍 谢珩 李冬冰 喻松林

（华北光电技术研究所，北京 100015）

多谱段集成TDI线列红外探测器组件是“高分五号”卫星全谱段光谱成像仪的核心器件。为满足航天型号应用要求，华北光电技术研究所项目团队立足已有技术基础，创新性地开发了具有自主知识产权的“多谱段集成TDI线列红外探测器组件技术”，引领了中国多谱段集成红外探测器技术的发展，谱段集成数量达到4个，分别实现了短中波4个谱段和长波4个谱段的集成，谱段从短波1.55μm覆盖至长波12.5μm，并根据探测组件在轨工作剖面，开展了地面8年寿命的试验考核。测试和试验结果表明：多谱段集成TDI线列红外探测器组件产品的性能、环境适应性和可靠性满足要求。

多谱段集成 时间延迟积分电荷耦合器件 红外探测器 “高分五号”卫星

0 引言

随着红外探测技术在宇航领域的广泛应用，目前在环境监测、资源调查等应用领域，对多谱段集成红外探测器[1-3]的需求越来越迫切。其优势是，通过多谱段（覆盖短波、中波、长波红外）集成可以大大减少载荷体积和质量，降低光学设计难度；另外，从获取的多个谱段的高空间分辨率光谱图像数据可以从空间匹配和光谱匹配两方面对地物目标进行分析和识别，从而取得更加丰富的地物目标信息，提高地物目标的探测能力。

随着红外探测器技术自身的发展及应用牵引，长线列红外探测器正在从单谱段向多谱段集成方向发展，集成谱段数量也在逐渐增多。相比于单一谱段红外探测器，多谱段集成红外探测器对读出电路设计提出了诸多挑战，如低功耗、低噪声、多谱段集成设计等[4]。为满足“高分五号”卫星（以下称GF-5卫星）全谱段光谱成像仪对探测器的需求，在国家重大科技专项支持下，华北光电技术研究所组建了多谱段集成TDI线列红外探测器组件项目团队，从2011年开始，开展了组件总体设计、关键技术攻关、产品研制和地面验证等专项攻关工作。

1 多谱段集成TDI线列红外探测器组件设计

全谱段光谱成像仪红外探测器组件光谱覆盖范围为1.55~12.5μm，共计8个谱段，采用了2个红外探测器组件，完成8个谱段的集成。短中波组件集成了短波2个谱段、中波2个谱段，共4个谱段（SW1，SW2，MW1，MW2），短波每个谱段探测器像元规模为3 072×3元、中波每个谱段像元规模1 536×3元；长波组件集成了4个谱段（LW1，LW2，LW3，LW4），每个谱段像元规模为1 536×3元。该组件是目前国内集成谱段最多、光谱覆盖范围最宽的红外探测器组件。项目组创新性地开发了具有自主知识产权的“红外TDI线列探测器多谱段集成技术”，引领了我国多谱段集成红外探测器技术的发展。

红外探测器谱段集成示意如图1所示。红外焦平面组件总体设计采用红外探测器大尺寸冷箱封装结构形式，主要由红外探测器、冷箱封装结构和脉冲管制冷机组成。红外探测器采用3个子模块（DS1、DS2和DS3）交错拼接，子模块由探测器芯片和读出电路互连而成；探测器芯片采用碲镉汞外延材料制造光伏二极管阵列，实现光电转换功能；读出电路采用数模混合型集成电路，标准0.35µm硅CMOS工艺制造；探测器输出的电子学信号通过读出电路进行电荷积分、存储、放大和顺序读出；探测器芯片与读出电路芯片采用铟柱倒装焊接结构互连，实现探测器电信号输出与读出电路电子学输入的连通；封装结构采用大尺寸冷箱，前端带有红外窗片，内部安装组合滤光片以限定所需波段红外光谱，实现红外探测器的波段响应特性；冷箱结构通过适配制冷机进行耦合工作，形成探测器制冷机组件。

图1 红外探测器谱段集成示意

2 多谱段集成TDI线列红外探测器组件研制

在总体设计基础上，研究组首次提出了单边电子学引出、非原位注入互连结构设计，解决了读出电路多谱段集成设计难题；针对4谱段集成信号处理的串扰问题，提出的版图布线隔离及低寄生效应版图设计，降低了寄生负载及电路间串扰，最终实现输出总线负载电容2.7pF，读出电路谱段内奇偶像元输出差异小于8mV。

针对双碲镉汞芯片共片互连在同一个读出电路上的特点，开发了多芯片灌胶减薄技术，获得了溢胶均匀的探测器混成芯片。同时，针对长波12.5μm器件开发衬底减薄工艺，保证了12.5μm长波探测器性能，长波12.5μm器件平均峰值探测率达到8.5×1010cm·Hz1/2·W–1，探测器组件完成了300次开关机可靠性寿命试验，性能稳定。

探测器谱段间最小间距640μm，且探测器混成芯片全部为背减薄芯片，不能直接进行像元配准，为保证谱段间光谱响应信号互不干扰，根据每个谱段器件光谱响应，对滤光片带外截止进行了匹配性设计，同时设计特殊对准标识，从而保证每个谱段滤光片与器件精密配准。

基于该组件研制的GF-5卫星全谱段光谱成像仪，是我国第二代推扫型多光谱成像仪（首台），红外空间分辨率达到40m，短波绝对辐射定标精度达5%，中波、长波达到1.0K，将满足我国在环保、国土资源、气象、农业、减灾等领域中的遥感应用。图2为红外探测器组件实物，图3为短波2谱段（SW2）成像仪地面成像。

图2 红外探测器组件实物

图3 短波2谱段（SW2）成像仪地面成像

3 多谱段集成TDI线列红外探测器组件地面验证

通过分析研究在轨工作任务剖面，结合红外探测器的工作特点和可能的失效模式，制定了地面寿命试验方案，研究组进行了探测器混成芯片电离总剂量辐照和长波探测器组件表开关机寿命试验。电离总剂量辐照试验要求产品正常加电工作，用示波器监测产品的输出波形，剂量率≤5 Rad (Si)/s，总剂量不小于5×104Rad (Si)；开关机寿命试验要求低温60±5K到室温冲击300次，试验剖面如图4。

图4 探测器组件开关机寿命试验剖面

电离总剂量辐照试验选用了3只短中波探测器混成芯片和3只长波探测器混成芯片，完成了电离总剂量辐照试验和试验后器件性能测试；选用1台全谱段光谱成像仪长波红外探测器组件开展了开关机寿命试验，受试产品完成300次开关机寿命试验。

结果表明，红外探测器组件在试验前后性能稳定。试验结果如表1~3所示。

表1 电离总剂量辐照试验前后短中波混成芯片试验前后性能测试对比

Tab.1 Performance comparison of short and medium wave hybrid chips before and after ionizing total dose irradiation test

表2 电离总剂量辐照试验前后长波混成芯片试验前后性能测试对比

Tab.2 Performance comparison before and after ionizing total dose irradiation test

表3 开关机寿命试验过程中受试产品性能测试结果

Tab.3 Performance test results of the tested products during the lifetime test of switchgear

4 结束语

在国家重大科技专项的支持下，依据GF-5卫星全谱段光谱成像仪应用要求，创新性地开发了具有自主知识产权的“多谱段集成TDI线列红外探测器组件技术”，引领了我国多谱段集成红外探测器技术的发展，并首次在国内研制出4谱段集成红外探测器组件产品，完成了地面性能测试、环境适应性及可靠性等试验，组件产品表现出良好的性能和可靠性。

在国家重大科技专项的支持和GF-5卫星型号任务的牵引下，华北光电技术研究所形成了完整的多谱段集成TDI线列红外探测器组件研制平台，为后续开展多谱段集成TDI线列红外探测器组件的研制奠定了良好的基础。

[1] PEASE C B. Satellite Imaging Instruments[M]. England: Ellis Horwood Limited, 1991.

[2] RIENSTRA J, BALLARD M. Multispectral Focal Plane Assembly for Satellite Remote Sensing[C]// 1998 Institute of Electrical and Electronics Engineers Aerospace Conference, New Mexico, 1998.

[3] DAHLIN M J, O'ROURKE E J. Advanced Focal Plane Array Systems for Next-generation Scanning Remote Sensing Instrument[J]. Proc. of SPIE, 2003, 4820: 406-417.

[4] 王成刚, 刘泽巍, 袁媛, 等. 多谱段线列红外探测器读出电路设计优化[J]. 激光与红外, 2017, 47(6): 736-739. WANG Chenggang, LIU Zewei, YUAN Yuan, et al. Optimization and Design of ROIC for Multispectral Linear Infrared Detector Array[J]. Laser & Infrared, 2017, 47(6): 736-739.(in Chinese)

Development of Multispectral TDI Linear Infrared Detector for GF-5 Satellite

WANG Chenggang DONG Haijie LIU Zewei XIE Heng LI Dongbing YU Songlin

（North China Research Institute of Electro-optics, Beijing 100015, China）

The multispectral linear TDI infrared detector array is one of the core detectors for the full-spectral-band imaging spectrometer of GF-5 satellite. In order to meet the application requirements, we developed “multispectral linear TDI infrared detector array technology” innovatively with self-owned intellectual property rights. This is the leading technology in the multispectral integrating infrared detector in China. The SW-MW multispectral integrating infrared detector and LW multispectral integrating infrared detector have 4 spectral-bandwidths respectively, covering the spectral band from 1.55μm to 12.5μm. According to the working profile of the spectrometer on orbit, we have verified the lifetime of 8 years by tests on ground. Test results show that the performances, the environmental adaptability and reliability can meet the requirements of the satellite.

multispectral; time delayed and integration charge-coupled device; infrared detector; GF-5 satellite

TP732.2

A

1009-8518(2018)03-0080-05

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.03.009

王成刚，男，1977年生，研究员级高级工程师，主要从事红外焦平面技术研究。E-mail：wcgzxy77@126.com。

2018-04-16

国家重大科技专项工程

（编辑：陈艳霞）