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光电探测技术发展概况
学号：20121226465 姓名：熊玉宝
摘要:本文扼要论述光电探测技术重要性，并简要地介绍了光电探测技术的几种主要方法及发展趋势。
关键词:光电； 探测； 技术
光电探测技术是根据被探测对象辐射或反射的光波的特征来探测和识别对象的一种技术，这种技术本身就赋予光电技术在军事应用中的四大优点，即看得更清、打得更准、反应更快和生存能力更强。
光电探测技术是现代战争中广泛使用的核心技术，它包括光电侦察、夜视、导航、制导、寻的、搜索、跟踪和识别多种功能。光电探测包括从紫外光（0.2～0.4μm）、可见光（0.4～0.7μm）、红外光（1～3μm，3～5μm，8～12μm）等多种波段的光信号的探测。
新一代光电探测技术及其智能化，将使相关武器获得更长的作用距离，更强的单目标/多目标探测和识别能力，从而实现更准确的打击和快速反应，在极小伤亡的情况下取得战争的主动权。同时使武器装备具有很强的自主决策能力，增强了对抗，反对抗和自身的生存能力。实际上，先进的光电探测技术已成为一个国家的军事实力的重要标志。
现代高技术战争的显著特点首先是信息战，而信息战中首要的任务是如何获取信息。谁获取更多信息，谁最早获取信息，谁就掌握信息战的主动权。光电探测正是获取信息的重要手段。微波雷达和光电子成像设备常常一起使用，互相取长补短，相辅相成，可以获取更多信息，可以更早获取信息。前者作用距离远，能全天候工作；后者分辨率高，识别能力和抗干扰能力强。无论侦察卫星、预警卫星、预警飞机还是无人侦察机往往同时装备合成孔径雷达和CCD 相机、红外热像仪或多光谱相机。为改进对弹道导弹的预警能力，美国正在研制的天基红外系统（SBIRS）拟用双传感器方案，即一台宽视场扫描短波红外捕获传感器和一台窄视场凝视多色（中波/长波红外、长波红外/可见光）跟踪传感器，能捕获和跟踪弹道导弹从发射到再入大气的全过程。美国已经装备并正在不断改进的CR-135S 眼镜蛇球预警机，采用可见光和中波红外像机，能精确测定420km 外的导弹发射，确定发动机熄火点，计算出它的弹道和碰撞点。最近在上面加了一台远程激光测距机，其作用距离可达400km。美国海军也在为战区弹道导弹防御系统研制称为“门警”系统的可进行主/被动监视的机载光电传感器系统。它包括一台红外搜索跟踪器(IRST)，采用双波段6×960 元碲镉汞探测器阵列，探测距离可达800km，一台测距/跟踪器（LR/T），以128×128 元锑化铟焦平面阵列精跟踪（约5μrad）目标，并以激光对目标测距（100-1000km），从而获得远距离目标的实时三维信息，赢得足够的预警时间。
在光电技术其它应用中，诸如精确制导、导航、火控、对抗武器、通信、显示等方面都占有较重要的地位。
光电探测技术
1. 可见光探测
可见光CCD 和CMOS 成像器由于其体积小、重量轻、功耗低、寿命长、可靠和耐冲击等诸多特点，现在已广泛用于军事遥感、侦察、飞机导航、导弹和炸弹的制导等现代军事装备中。民用也极其广泛，如保安、监控、可视门铃、视频电子邮件、可视电话、视频会议、数码相机以及医学和生物科学实验记录等都在使用CCD 和CMOS 成像器。
现代可见光成像器已是数字化的，可以保存在软盘、硬盘和光盘中，再用计算机阅读、显示和打印出来。这种图像还可以修补、剪贴和远距离传输，这也是现代通讯的主要内容之一。
先进的图像传感器的基本指标是清晰度（光敏元数）、灵敏度（量子效率）、动态范围（满阱电荷数）、信噪比（暗电流等噪声源）等，并与实用中常碰到的光学孔径、拖影光晕、闪烁、图像滞后等图像性质有关，因此现代的先进技术都是在为进一步提高这些基本指标和改善上述的图像性质而努力。
2. 红外探测
由于温度高于绝对零度的任何物体都会辐射红外线，利用适当的对红外线足够灵敏的探测器，即使在夜里没有光照的情况下也能探测到物体的存在，还可得到它的外形图像。一些典型物体的温度和辐射峰值波长见表1。
表1 典型物体的温度和红外辐射的波长

温度（K）
辐射峰值波长（um）
钨丝灯
2000
1.45
波音707飞机喷口
890
3.62
M-46坦克尾部
473
6.13
F-16战机蒙皮
333
8.70
人体
310
9.66
冰水（0度）
273
10.6
由此可见，在战争中碰到的对象所辐射的红外线，大都在1～12μm 之间。
但是，在这个波段区的信号不是都能在大气中传播很远的，实践表明只有三个波段区的信号能在大气中传播较远，它们分别称为：短波红外（SWIR，1～3μm）、中波红外（MWIR，3～5μm）和长波红外（LWIR，8～12μm）。通常说的军用红外技术，主要是针对这三个红外波段，而且重点还在中波和长波红外。
对于红外探测装备其核心是红外探测器，从某种意义而言红外探测器的水平决定了红外光电探测装备的性能，国际上一般把单元和多元器件称为一代红外器件，把焦平面线列和阵列称二代器件，把双（多）波段和智能化焦平面器件称为三代器件，相应就演变成红外光电探测装备的分代。
2.1 PtSi 红外探测器
这是早期红外探测器，工作在中、短波，由于其制造工艺相对简单，原始均匀性做得较好，成本相对价廉，因而获得了早期军用应用，例如早期的响尾蛇导弹采用的红外制导就是采用PtSi 探测器，但由于其量子效率低，性能不高，影响了武器装备的性能发挥，被随后InSb、HgCdTe 探测器所替代。
2.2 InSb 红外探测器
InSb 工作波段在中波是目前使用最广泛，研究最成熟，军用中用于寻的头的常取128×128 元凝视型阵列，因为有较好的性能/价格比，美、英、德和以色列等国研制的新型空-空导弹都使用了这一规格。要求精密、高速图像或在高价值场合使用时常取256×256，640×480或512×512InSb 探测器，美国Lockheed Martim 公司生产的“狙击手”吊舱，Raytheon 公司研制的ATFLIR 吊舱，Northrop Grumman 公司与以色列拉发尔公司合作研制的LITENING 吊舱以及美国前视红外系统公司研制的AN/AAQ-22 SAFIRE 热像仪等世界最先进的前视，导航和瞄准设备都使用了640×480 元或类似规模的InSb 阵列。2000×2000InSb 与可见光组合成低帧频、双色相机已有报导用于战场和环境监视。
2.3 HgCdTe 红外探测器
由于HgCdTe 红外探测器的发明，使低温目标（需要长波探测）的红外探测成为可能。从原理上都可以取代前二类红外探测器，因而这类探测器是西方先进国家竞相发展，到目前仍然重点发展的一类探测器，而且集中在第二代和第三代红外探测器，这类探测器又分为4（6）×N 线列焦平面和阵列焦平面，前者主要是技术相对后者更成熟，采用并扫技术可做到同等数量元数阵列焦平面更高性能，且价格要比阵列焦平面低，因而西方国家亦在发展之列，典型的4×288、4（6）×576、6×960 等；阵列焦平面典型品种有128×128，256×256（或320×256），512×512（或640×480），1024×1024 等。
2.4 GaAs/AlGaAs 量子阱红外探测器（QWIP）
量子阱红外焦平面探测器在384×288，640×512 规模以上的大面阵和双色焦平面方面有应用价值，目前主要应用在工业及医疗。在允许进行长时间积分的军事领域也有应用，如德国的坦克驾驶员观察用热像仪，使用的是640×512 元长波量子阱红外焦平面探测器，光谱响应范围8-9μm。量子阱红外焦平面探测器未来最有潜力的发展方向是空间军事应用，如多色（4 色），超长波（14～16μm）大面阵。
2.5 非致冷红外焦平面探测器
由于制冷红外焦平面探测器功耗大、成本高、操作不方便等不利因素，各国都在寻求制造非制冷红外焦平面的新技术，目前该技术发展是迅速的。非制冷红外焦平面探测器目前已发展到320×240，640×480 规模。非致冷红外探测器可分二类，即铁电型和热电阻型。以Vox和X-Si 热电阻型非致冷红外探测器发展较快，主要的技术着眼点是提高阵列的规模以达到640×480 元的数量级，降低光敏元尺寸以达到中心距25μm，并进一步改善噪声等效温差、动态范围等重要性能指标，进一步降低成本和方便使用等。主要用于工业、安全、单兵武器观瞄等领域，其价格相对低廉，也有用于性能要求不太高短距离的导弹制导。
2.6 第三代红外探测器
美国已开始研制第三代红外探测器，并提出了第三代红外热像仪的概念，主要是双色或三色高性能、高分辨率、制冷型热像仪和智能焦平面阵列探测器，美军夜视和电子传感器管理局认为开发第三代红外传感器是美国保持夜战优势的关键。因此红外探测技术较长远的发展趋势是开发第三代红外探测器，第三代红外焦平面探测器的主要参数见表2。
表2 第三代红外探测器要求的性能参数
焦平面阵列规模
1000×1000，1000×2000，2000×2000
光敏元面积
18×18μm2
响应频带（波段）
至少二个频带
NETD
<1mk f/z（中波），<5mk f/z（长波）
杜瓦
高真空
制冷器
机械或热电制冷型120-180K
目标
远距离，强抗杂波能力
空间不均匀性
<0.5NETD
电子容量
109
帧频
可加到480Hz
附加功能
片上含非均匀性修正和A/P 电路等
由于国外红外探测器技术的不断完善，在探测器芯片上提升技术已相当困难。为进一步提高红外探测器的性能，人们现在正把注意力转到红外探测器的信号读出集成电路（ROIC）上。随着计算机技术和集成电路的发展，ROIC 已有很大的进展，中规模的红外焦平面阵列和相应的读出电路在20 世纪90 年代已形成生产规模，现在先进国家正在研制用于大规模焦平面阵列（三代器件）和其有多种功能的ROIC 和智能化焦平面阵列。
智能焦平面阵列也叫做片上系统，片上信号处理意思是在光敏元芯片上或是最接近光敏元的区域内模仿脊椎动物视网膜的功能，对光-电转换后的信号作前期的处理，然后再输出后续的数据处理。这个过程虽然不属于直接接收光信号的过程，但对光电探测器的综合性能有极大影响。
3. 紫外探测技术
紫外探测技术在国防、国民经济和科学研究领域有许多应用，如导弹威胁预警，星际通信，化学与生物战剂的探测和光谱测量，发动机与核反应堆监测、植物生长、辐射剂量测量、水提纯、污染监测（如臭氧）火焰探测、煤气（发生）炉监测和紫外天文。
近20 年来，主要发展有三种类型紫外（UV）探测器，即光电倍增管、成像紫外传感器和AlGaN/GaN 光电二极管成像阵列，被称作一、二、三代紫外成像传感器。
在上述许多应用中，希望只探测紫外光而不对可见光和红外辐射灵敏，尤其是阳光，以减少虚假探测和背景通量。所以近年来在短波紫外探测器领域的研究集中在实现“日盲”探测器上，即对～280nm 以上的光子不灵敏探测器，亦即称谓是第三代紫外探测器。
紫外探测的军事应用主要有导弹制导，来袭导弹告警，生化战剂探测，军用气象和军用短程通信等。
4. 微小型成像传感器
微小型成像传感器的主要特征是尺寸显著减小，保持较高的空间分辨率和低功耗。微小型成像传感器的主要应用领域诸如有机器人、微型车辆、微型航空器、微型航天器、无人值守传感器和监视网络以及警戒和执法等。其应用前景有：
·支持网络中心战（NCW）的网络传感测点
·用于战场情报的便携式监视和无人值守的网络化监视
·无人机和地面无人车辆的视频控制
·用于设施警戒的自动化监视
·灵巧武器的目标识别
·装甲车和导弹的精确瞄准系统
·机器人视觉
·公安、边防巡逻、执法和交通监视
·视频会议今后几年在微型传感器方面的总目标是：
·演示声、地震和红外成像微型传感的小规模集成网络；
·验证超轻量、低成本、小体积的三维集成封装应用于开销得起的紧凑设计；
·发展自组网络以支持已处理的信息的保密通信，微传感的网络区与作战人员之间的战术通信距离达10km。
5. 成像偏振探测
成像偏振探测技术目的是提高目标的对比度，抑制背景杂波，提供目标表面材料的信息，区分天然物体与人造物体。所以，成像偏振探测可以提高对目标的探测和识别能力，有可能探测等温物体中的伪装目标。
目前进行的有短波、中波、长波和多光谱，超光谱成像偏振探测试验，主要试验是探雷，测云以及地球海洋表面的海面温度，发射率和海风矢的探测，应该说还处于早期研究阶段。
6. 多光谱/超光谱成像技术
光学遥感无凝是采集目标和背景数据的一种有效方法。然而，由于光学空间分辨率有限，以辐射强度为基础的空间信息并非总能提供足够的目标信息，例如远距离的小目标或隐匿在更亮背景干扰下的目标，仅仅根据它们辐射强度特性就无法分辨出来。因此，遥感中采用光谱特性、偏振特性和时间特性等多维判别方法来识别目标和背景，并越来越重要。光谱成像就是在这种观念下研究发展起来的，光谱成像技术按波段数目和分辨率大致可分为三类：多光谱成像，其波段为10～50 个，光谱分辨率（Δλ/λ）为0.1；超光谱成像，其波段为50～1000 个，光谱分辨率为0.01；极光谱成像其波段为10-100 个，光谱分辨率为0.001。目前，除极光谱成像技术未用于军事遥感外多种多光谱或超光谱成像系统已装备遥感卫星，如“伊科诺斯2”（IKONOS）卫星和侦察飞机如u-2 高空侦察机等，重点民用应用是环境监测和资源管理。
对多光谱/超光谱成像数据分析表明，这种独特的数据的价值并不在于它是否能产生漂亮的图像，而在于多光谱/超光谱成像仪获得的独特的光谱特征所固有的信息，例如隐藏在树下的车辆和埋置的地雷等目标的信息。
多光谱成像仪使用最多的焦平面阵列是可见光CCD 和红外HgCdTe 焦平面阵列，今后其发展趋势主流仍然是CCD 和多色红外焦平面阵列。
其发展的技术特点是：尽可能提高光谱分辨率；充分利用能透过大气的各类电磁波谱；向红外、远红外和微波方面扩展；将光谱段划分得更细。例如美国陆地卫星主题测绘仪有7 个光谱段；AVIRIS 机载可见光和红外多光谱成像仪在可见光和红外谱段内划分为224 个波段；我国机载光谱成像仪有72 个波段，其中可见光32 个波段，短波红外32 个波段，长波红外8 个波段。
因此，今后遥感技术将是向多光谱/超光谱成像仪与干涉雷达，被动雷达和合成孔径雷达等多传感器融合，可同时采集多维数据的传感器系统，通过先进的数据融合技术，可以获得需要的足够的目标信息，使遥感技术向多尺度、多波段、全天候、高精度、高效快速的目标发展。

7. 激光雷达成像技术
对军事目标进行识别、分类、精密探测和精确瞄准是激光雷达追求的目标。激光雷达以其抗干扰和成像能力强等优势，已经成为重点发展的高灵敏度探测雷达。
在许多图像处理中，需要自动目标识别（ATR），从而促进了激光雷达的发展。例如在对地形背景中的静止目标的探测，多普勒雷达及可见光或红外热成像系统都有其困难的一面，而激光雷达的优点是每个像元既具有高的角分辨率，又可获得准确的距离数据，具有稳定的目标和背景特征，因而能在ATR 系统中准确地进行模型化处理。当然在某些应用中，激光雷达由于光束窄，扫描速度有限，需要与红外、可见光、毫米波雷达一起工作，进而通过数据融合，提高系统性能。激光成像技术目前主要有扫描成像，激光照明距离选通成像、激光照明单次成像和相干激光雷达。
激光雷达与无线电雷达从原理上是相同的，所不同的是采用光波段激光发射机和与相之适应的激光接收器。早期采用CO2 激光器作激光雷达发射机技术上已相当成熟，并已研制出多种陆基和机载样机，但由于CO2 激光器体积大，光学孔径较大，探测器需致冷等因素制约了其机动环境，尤其是机载战术应用的竞争力。随着激光二极管泵浦技术（DPSSL）和新的固体激光材料研究的进展，高效、全固体化且人眼安全的小型固体激光雷达正在得到发展，已经实验用于外差多普勒激光雷达、距离成像和障碍物回避等领域。半导体激光器历来由于其体积小，重量轻，坚固可靠，高效率和低成本，近年来高功率小光束角激光二极管的快速发展，在激光雷达应用方面有很大潜力，典型应用于直升机障碍回避和地物探测，面前最大应用优势是机器人视觉系统和激光水下目标成像探测。
恰恰是适合探测激光的焦平面阵列探测器阵列研制已成为发展泛光照明单次成像的关键。

8. 多传感器数据融合技术
现代探测技术都向多传感器融合的方向努力，以弥补单一探测技术的某些缺陷，使被探测目标信息尽量丰富，准确、迅速、实时，使战时掌握信息优先权、主动权，赢得宝贵的先发制时间，从而赢得战争的胜利。正因为多传感器融合就必然采用数据融合技术；在当前由于新型先进的传感器和先进处理技术的涌现以及软硬件的改进，使实时数据融合越来越有可能实现而得到极快发展。
单一平台装备的传感器类型可能包括：雷达、激光测距机/目标指示器/跟踪器、前视红外系统、电视（含激光电视）、敌我识别器、雷达告警机、导弹逼近告警接收机、激光告警接收机等不同类传感器间的融合。
多平台装备不同类型传感器，通过借助日益发展成熟的数据链路技术，能够显著扩大传感器探测的空域、频域和时域。
综上所述，实际上光电子技术是无线电波段的扩展和延伸，为已经高度发达的电子技术提供了一个更加广阔的新天地，因此光电探测技术当属探测技术领域中的重要技术之一，这里强调的重要，而不是唯一，恰恰是论述了光电探测利用它的探测特性与其它探测技术是互补而不是替代，目的是获取的信息尽量丰富、准确、迅速、实时，使战时掌握信息优先权、主动权，赢得宝贵的先发制时间，从而赢得战争的胜利，因此光电探测技术需要引起业内人士的普遍关注，并在装备研制中占有一定的地位。
作者简介
张伟忠（1941- ），1964 年毕业于上海交大，毕业后从事激光技术研究，教授级高工。中国电子科技集团公司第十一研究所原所长，现所长顾问。