多谱段集成长线列红外探测器研究进展

孟令伟,东海杰,张 懿

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

在地球资源探测领域,红外多光谱扫描仪是获得信息的有效载荷,而常规的红外多光谱扫描仪需要多个谱段的红外探测器组件,因此,增大了红外扫描仪载荷系统体积、重量。随着红外探测器技术的成熟,采用在红外探测器内部多谱段集成方法,可以大大减少载荷体积重量,降低光学设计难度,同时,由于集成了低温光学零件,降低了背景辐射,探测器性能也到了提升,能够更好的满足红外光学系统的应用需求。

多谱段集成红外探测器具有光谱覆盖范围宽,可覆盖短波、中波、长波红外谱段、集成谱段数多、每个谱段宽带可选等优势。多谱段集成红外探测器已广泛应用到卫星遥感载荷,在生态环境检测、土壤质量评价,农作物分类与估产、海洋资源与生态监测、地球资源开发利用发挥重要作用。

多谱段集成长线列红外探测器利用多通道组合滤光片对探测器芯片光谱细分,光谱方向与飞行器飞行方向一致,从而实现二维几何成像和光谱信息的同时获得。多谱段集成红外探测器工作示意如图1所示。

图1 多谱段集成红外探测器工作示意

2 国外多谱段集成长线列红外探测器技术发展状况

多谱段集成红外探测器作为多谱段红外光谱扫描仪的核心部件,资料报道美国、法国等红外探测器技术先进国家都已经进行了二十余年的研究。取得了很大进展,并已成功应用于航天民用遥感和军事领域。

2.1 美国Raytheon Vision Systems公司多谱段集成长线列红外探测器

2.1.1 MTI红外探测器组件

1999年,资料报道美国Raytheon公司研制了多光谱成像仪红外探测器组件(The focal plane assembly for the Multispectral Thermal Imager)[1],探测器组件光谱覆盖范围0.45～10.7 μm,可见光4个谱段、近红外3个谱段、短波3个谱段、中波2个谱段、长波3个谱段共15个谱段(如图2所示)。探测器分别采用硅、锑化铟和碲镉汞三种材料制备。可见光和近红外探测器每谱段阵列规模为2400×1元,锑化铟和碲镉汞探测器探测器阵列规模均为621×1元,采用多通道滤光片进行分光。探测器谱段如表1所示,组件图如图2所示,探测器组件性能如表2所示。

表1 MTI成像器红外探测器组件光谱分布

图2 MTI 红外探测器部件及探测器组件图

表2 探测器组件性能

2.1.2 EO-1/ALI探测器

美国Raytheon公司为NASA′s Earth Observing-1/Advanced Land Imager(EO-1/ALI)研制了多谱段焦平面探测器[2],1997年研制的MS/PAN FPS探测器,2002年交付WFOV FPS探测器,WFOV FPS探测器阵列由5个单模块拼接而成,探测器集成10个谱段,从可见光到红外短波谱段,可见光使用SiPIN探测器,红外短波谱段探测器采用碲镉汞材料制备,红外短波谱段探测器阵列规模25600×1元,探测器谱段分布如表3所示。EO-1/ALI探测器如图3所示。

表3 EO-1/ALI探测器光谱分布

图3 EO-1/ALI探测器

2.2 法国Sofradir公司研制多谱段集成长线列红外探测器

2.2.1 PRISM长波双谱段探测器

法国为欧洲宇航局研制了PRISM长波双谱段探测器[3],探测器集成2个谱段,每谱段阵列规模1000×1元,波长覆盖范围10.3～12.3 μm。探测器由6～10个碲镉汞光伏器件模块拼接而成,读出电路采用硅CCD读出。探测器模块拼接如图4所示,长波双谱段探测器性能如表4所示。

图4 探测器拼接示意图

表4 PRISM长波双谱段探测器性能

2.2.2 GMES/Sentinel-2探测器

在GMES(European Global Monitoring for Environment and Security)计划和Sentinel-2任务支撑下,Sofradir公司研制了短波多谱段探测器[4]。探测器由12个探测器子模块拼接而成,每个模块集成3个谱段(B10、B11、B12),探测器谱段和像元数如表5所示,探测器单模块像元排布如图5所示,图6为单模块探测器封装图,图7为多谱段探测器拼接装配图,短波多谱段探测器性能如表6所示。

图5 探测器单模块像元排布

图6 单模块探测器封装

图7 多谱段探测器拼接装配图

表5 探测器谱段和像元数

表6 短波多谱段探测器性能

3 国内多谱段集成探测器研制情况

在国外发达国家对我国高端红外探测器组件实行严密技术封锁的情况下,通过国家的大力支持,华北光电技术研究所、上海技术物理研究所、昆明物理研究所等单位重点进行了中波、长波、短波碲镉汞探测器组件的技术攻关,极大推进了我国碲镉汞红外探测器组件的技术进步[5]。在多谱段集成红外探测器技术研究方面,上海技术物理所和华北光电技术研究所均有相关报道。

3.1 上海技术物理研究所长波双谱段探测器

上海技术物理研究所报道了1款长波12.5 μm长线列碲镉汞焦平面杜瓦组件[6]:256×2碲镉汞焦平面模块由2个256×1元芯片和2个光伏信号硅读出电路模块平行对称组成,并分别与2个不同波段的微型滤光片以架桥式结构直接耦合后封装在全金属微型杜瓦内,形成了长波256×2长线列碲镉汞红外探测器件组件。光敏元阵列布局与倒装焊如图8所示,探测器主要性能如表7所示。

(a)光敏元阵列布局

(b)倒装焊示意图

表7 探测器主要性能

3.2 华北光电技术研究所多谱段探测器研究状态

华北光电技术研究所开展多谱段长线列探测器技术研究近十年,多谱段长线列探测器已应用与GF-5号卫星全谱段光谱成像仪。

探测器工作模式为TDI型线列,TDI线列相比单线列信噪比可提高倍。全谱段光谱成像仪红外探测器组件共集成谱段数8个,光谱覆盖短波、中波、长波、甚长波谱段,采用2个杜瓦封装,短波探测器每谱段阵列规模为3072×3元、中波、长波探测器每谱段阵列规模1536×3元,探测器通过集成多通道滤光片实现探测器窄带光谱响应,探测器芯片模块及谱段排列如图9。全谱段成像仪探测器性能参数见表8。

全谱段光谱成像仪探测器随GF-5号卫星成功发生,在轨运行将近2年,性能稳定,为用户持续提供遥感数据。图10为短波谱段地面外景成像图,图11为GF-5号全谱段光谱成像仪冰川冰雪监测图。

图9 全谱段成像仪探测器谱段排列图

表8 全谱段成像仪探测器性能参数

图10 短波谱段地面外景成像图

图11 高分五号卫星全谱段光谱成像仪冰川冰雪监测图

4 总 结

随着空间遥感平台技术的发展,红外系统载荷需要更多的谱段、更宽的光谱覆盖、宽的视场、高的空间分辨率以及高的S/N,为此,国内多谱段集成红外探测器技术从集成谱段数,光谱覆盖范围、探测器阵列规模和探测灵敏度等参数还未完全满足红外系统应用需求,还需要持续开展技术研究。

在多通道信号输出读出电路设计方面,需要进一步抑制谱段间输出信号干扰,降低电路读出噪声；红外器件研究方面,开展甚长波探测器技术研究,降低暗电流,提高探测器稳定性；在探测器阵列规模扩展方面,提高子模块拼接精度,降低长线列拼接探测器热应力,提高探测器可靠性；在谱段集成方面需要进一步开展多通道集成滤光片技术研究,提高滤光片光学透过率和抑制窄带滤光片纹波深度,保证探测器高的探测灵敏度。

在国家支撑和应用的牵引下,相信在我国红外多谱段集成线列红外探测器技术一定会发展的越来越好,形成自主可控的创新能力,研制出满足航天工程应用的红外探测器产品。