空間應用圖像傳感器系統及其應用

　自五十年代末蘇聯發射世界上第一顆人造地球衛星以來，世界各先進國家都爭相發展太空飛行技術，到二十世紀末期，已發射空間飛行器5000余顆。其中，70%是在和平利用空間的民用技術招牌下進行開發的，純軍事應用占近1/3。但是由于民用中有相當大的比例為軍民兩用型，如有名的法國“斯波特”（SOPT）衛星和美國的地球觀察衛星（EO-1），陸地衛星（Landsat）和“快鳥” （QuickBird）等，所以，事實上軍用航天器估計要占多達2/3的比例。空間技術已成為象征著強國的標志，并充滿著火藥味。在軍事目的應用的強烈牽引和各國軍界雄厚資金的資助驅動下，全球空間技術的發展成了二十一世紀令人極為矚目的目標。

　隨著八十年代和九十年代光電子技術的飛速發展，使固體可見光圖像傳感器和紅外焦平面陣列熱攝像圖像傳感器技術不斷地突破技術難關，發展成熟，迅速地用作空間技術的各種星載光電子圖像傳感器，航天敏感器技術發展到了一個新的階段，對空間技術的發展產生了深遠的影響。本文主要評述固體光電子圖像傳感器技術發展的現狀和趨勢，以及在航天星載方面的應用。

二、固體光圖像傳感器的器件技術的發展現狀與趨勢

1、固體光攝像器件—理想的星載光圖像傳感器

　 固體光電子圖像傳感器技術包括可見光硅圖像傳感器和短波、中波和長波紅外焦平面陣列技術。由于圖像傳感器器件的不斷發展，目前的固體圖像傳感器從可見光和近紅外波段的CCD器件發展到了短波、中波和長波紅外焦平面陣列。與星載反束光導攝像管相比起來，由于固體圖像傳感器具有一系列優點，非常適用于用作空間星載圖像傳感器，如：

（1）體積小，重量輕；
（2）無圖像扭曲；
（3）光響應工作波段寬，可見光硅CCD和CMOS圖像傳感器的光譜響應可從紫外區延伸到紅外區，而紅外焦平面的光譜響應波段覆蓋了從1mm～14mm和遠紅外更寬的電磁波譜區；
（4）高分辨率，可在焦平面上集成數十萬、百萬乃至千萬像元的大格式陣列、實現大視場空間傳感器；
（5）同焦平面信號處理，像CCD、CMOS和各種紅外焦平面陣列器件，由于微型加工技術的發展，可采用混合式或單片集成方式把焦平面上光電轉換的焦平面探測器陣列與信號處理電路集成微小的集成電路塊，實現同焦平面信號處理；
（6）采用電子自掃描或凝視工作模式工作，簡化和完全取消機械掃描，實現系統小型化和微型化；
（7）低功耗工作，數伏電壓下即可工作；
（8）低成本；
（9）可靠性高。

　總之，小型化的小體積、輕重量、低功耗、低價格和高性能、高可靠性的固體空間光圖像傳感器為空間系統的設計和應用提供了極大的靈活性。

2、可見光固體圖像傳感器

　可見光固體圖像傳感器已使成像技術實現了小型、低功耗、低成本和便攜式應用、使成像系統技術了發生了革命性的變化。盡管迄今為止已發展了多種固體攝像器件，然而CCD器件和已在快速發展的CMOS圖像傳感器卻占據了整個該領域的95%的份額，CMOS是繼CCD之后的后起之秀。

（1）圖像傳感器件

　 CCD圖像傳感器件技術已發展了三十多年，早已是成熟和普及應用到各種軍用和民用系統的器件，在紅外焦平典型面陣列技術實用化之前很長一段時間極受軍用重視，目前仍在可見光波段廣泛采用。

　 ①像元集成度：攝像陣列像元的多少是攝像系統分辨率性能的關鍵性因素，目前的CCD器件已可根據系統應用目的要求同芯片集成或多芯片拼接，或多器件組合成任意像素數的器件。

· 線陣：常用單芯片像元集成度為512、1024、2048、4096、5000、7450和8000等；多芯片像元集成是用二個或多個單線陣芯片組合起來形成數萬像元的特長線陣列，常用作星載或機載多光譜傳感器；

· 時間延遲與積分(TDI)陣列：常用的單芯片是2048×96、2048×144和4096×96的陣列；多芯片是用多個單芯片拼合起來，常用作星載或機載推帚式掃描傳感器，加拿大的DLSA公司制作的這種傳感器在全球很有名；

· 面陣列：大格式陣列像元集成度為1024×1024、2048×2048、4096×4096 少數如科學研究和天文應用方面陣列達7000×9000、8192×8192和9126×9126元，最大的9126×9126元陣列是美國Farchild Imaging公司研制的；

②像元尺寸：CCD的像元尺寸不能太小，過小將影響曝光性能，目前的大格式陣列像元尺寸已小達7.0mm×7.0µm；

③靈敏度，通常為幾個Lux~Lux-1，加上增強器處于微光工作模式時為Lux-3；采取冷卻時為Lux-5~Lux-7；

④分辨率：大型陣列通常的電視分辨線為＞1000×1000TV線，根據系統要求可更高，光學尺寸通常為2/3、1/2、1/3、1/4in.，目前最小已做到1/7in.。

（2）CMOS圖像傳感器件

　由于CMOS圖像傳感器件與CCD相比功耗更低，可實現極高幀速工作和低成本化，.成本僅為CCD的1/4，因而發展極快，可能最終在某些領域取代CCD。

① 像元集成度：由于器件技術的進展，目前的像元集成度常用的為幾十萬到100萬像素，如512×480和1280×1000，已能制出4096×4096和6144×6144元的陣列；

② 像元尺寸：由于制作技術的不斷改進，像元尺寸已可小達3.3mm×3.3mm；

③ 高靈敏度：在近紅外光譜區（900nm）光電轉換效率高達50%；

④ 寬動態范圍：CMOS的動態范圍通常為60dB以上，已達到170dB；DALSA CMOS-1M28/1M751024×1024元攝像機的動態范圍也高達1,000,000:1。

⑤ 高幀速和超高幀速：隨著CMOS圖像傳感器技術的發展，2003年中不斷報道了高幀速和超高幀速CMOS圖像傳感器，美、日公司在高幀速工作方面取得了顯著的進展.。DALSA和紅湖公司的CMOS圖像傳感器幀速竟然高達100000frame/s。

⑥ 功耗：CMOS最明顯的特點是低功耗，目前高幀速工作時僅為50mW。

（3）趨勢

　 CMOS圖像傳感器是目前和未來該領域正在發展中的主流技術。CCD主要是在應用上想辦法，根據不同的應用目的和系統設計方案組合應用。由于CCD圖像傳感器技術極為成熟， 預期最終CMOS圖像傳感器難以取代CCD圖像傳感器，將是二者長期共存的局面。但是， CMOS圖像傳感器具有成本低、集成度高、低功耗的突出優點，如果再解決了影響性能和圖像質量的噪聲問題，CMOS就將成為極佳選擇。

3、紅外焦平面陣列

　 紅外焦平面陣列技術的發展已引起了商界和軍界軍火商的極大關注。紅外焦平面陣列技術對軍事裝備更新換代的深遠影響正在改變現代戰場作戰的特點和概念。

　 剛結束的伊拉克倒“薩”戰爭再次顯示了在現代戰爭中高技術含量越來越重要。美英聯軍一是靠高性能的空間偵察衛星、U-2高空偵察機和“食肉者”武裝偵察機等獲取伊拉克地面的目標信息，二是靠先進的導彈、炸彈對所定目標精確打擊，三是靠新一代的夜視裝備夜間行軍作戰。這場戰爭中的高技術含量中，紅外熱成像裝備就是其中之一，而且顯得非常突出。

（1）新進展

　 空間應用對設備提出了苛刻的條件要求：重量要輕、體積小便于使用和攜帶，高性能、穩定、工作環境溫度、全天候、特別是黑夜條件下的應用、可靠等。今天的紅外焦平面陣列技術的發展已滿足了上述的苛刻要求：

① 高溫工作

　 從太空和軍事應用的角度來講，不受環境溫度變化影響和制約的裝備易于獲得穩定的性能，是極受歡迎的。目前的光量子類紅外焦平面陣列，如PtSi，InSb，HgCdTe和GaAlAs/GaAs量子阱等都是已投產和準備投產的品種，用杜瓦瓶液N2致冷或小型斯特林致冷器和電子致冷器均可滿足≥77K的工作溫度條件，通常為80K，最終目標是240K。而1~3mm波段的InGaAs焦平面陣列則可不用致冷在室溫下穩定工作；以VOx為代表的非致冷長波紅外焦平面陣列技術的發展已實現了長波紅外攝像不用致冷工作。

②高像元分辨率

　高像元分辨率是系統中最優先要考慮的重要因素，因為這涉及到系統一系列性能參數的好壞。目前的紅外焦平面陣列像元分辨率極高，不但已實現了第二代TDI工作模式的陣列生產，而且像640×480、1024×1024和2048×2048元的凝視陣列有的已投產，如PtSi、InSb和HgCdTe與GaAlAs陣列，有的正準備投產，像非致冷紅外焦平面陣列的320×240，640×480這樣的陣列都已投產或準備投產，1024×1024元陣列已在發展中，非致冷陣列在制作工藝上也已成熟。像元尺寸已從50µm×50µm縮小到了25µm×25µm，國內的非致冷紅外焦平面陣列已發展到了128×128元的陣列。

③ NETD指數

　NETD是評價系統性能的關鍵性性能參數，而這一參數也主要取決于焦平面陣列的NETD值。目前的光量子類紅外焦平面陣列的NETD值范圍通常在0.1~0.01K，使用f/2光學時，InSb、GaAlAs和HgCdTe的第Ⅱ代320×256元陣列和第Ⅲ代1024×768元陣列可達到0.01K的NETD值，這適合于高性能的系統應用.而非致冷熱型紅外焦平面陣列中320×240和640×480元的VOx陣列NETD 分別達到了0.01k和0.025k.滿足了中低檔的軍用裝備應用，芯片生產已從5英寸的芯片轉向6in.，計劃投產8in.芯片。

④ 雙波段和多波段陣列

　雙色和多色紅外焦平面陣列是該技術發展的一個重要方向，這種技術的發展屬于下一代的陣列技術，對于軍事應用具有極為重要的意義。這種陣列目前主要是GaAlAs/GaAs量子阱紅外光電探測器焦平面，其雙波段的陣列規模已達到640×512元，目前一些大的公司研究所正在合作發展1024×1024元的陣列，而且由軍方出資發展四色的QWIP陣列，如美國國防高級研究規劃局（DARPA）出資160萬美元要求QWIP技術、NASA的噴氣推進實驗室（JPL）和麻省理學院林肯實驗室合作研發的1024×1024元水平集成四色QWIP陣列，目前這種陣列工作溫度約為77K，未來將達到120K，像元尺寸20~25mm。

（2）趨勢

　目前先進的紅外焦平面陣列技術正處在從第二代向第三代更為先進的陣列技術發展的轉變時期。各有關公司和廠家機構的注意力已轉向第三代紅外焦平面陣列傳感器的發展。第三代紅外焦平面陣列技術要滿足以下幾種要求：

①大型多色高溫工作的紅外焦平面陣列，探測器像元集成度≥106元，陣列格式1000×1000，1000×2000，和4096×4096元，像元尺寸18×18mm2，目前芯片尺寸22×22mm2，未來的芯片應更大，高的量子效率，能存儲和利用探測器轉換所有的光電子，自適應幀速（480Hz），雙色或多色工作，使用斯特林或熱電溫差電致冷器，工作在120K～180K，光響應不均勻≤0.05%，NETD≤50mk(f/1.8)，結構上單片或混合集成，可以是三維的。

②非致冷紅外焦平面陣列，無須溫度穩定或致冷，用于分布孔徑設計，重量僅1oz，30mW功率，焦平面探測器元集成度≥106元，陣列格式1000×1000元，像元尺寸為25mm ×25mm，NETD＜10mK(f/1)，或60mK(f/2.5)，低成本、低功耗、中等性能，用于分布孔徑設計中獲取實用信息。

③非致冷工作的微型傳感器，焦平面探測器像元集成度僅160×120元～320×240元，像元尺寸50mm ×50mm和25mm ×25mm，NETD＜50mK(f/1.8)，輸入功率10mW以下，重量1oz，尺寸＜2in3，低成本。

三、星載固體光電子圖像傳感器應用

　 空間星載遙感圖像傳感器具有寬空間和寬光譜分辨圖像的特點，用作最先進的全景掃描、多光譜和超光譜圖像傳感器從衛星等空間平臺上對地球表面的海洋形態、地質和大地生態與環境進行考察和監測、對太空進行天文探測研究，對地球表面目標進行探測、識別和分辨出隱蔽和偽裝的目標，精確地確定地球表面目標的位置等，商用和軍作范圍極為廣泛，具有極為重要的意義。美國依靠其強大的經濟實力和世界領先的高科技技術，一直在加緊發展先進的空間探測和偵察技術，近些年來軍民兩用系統一直在美國國防高級研究規劃局中占有相當的比例。像“快島”這種超高分辨率的空間探測衛星用于軍用是綽綽有余的，雖然其聲稱為商用衛星，但空間分辨率已逼近軍用衛星的10?M。美國的CCD、CMOS和紅外焦平面陣列傳感器技術在激烈競爭的全球市場上一直處于頂級地位，而且將這些遙遙領先各國的先進傳感器技術迅速地用于天文探測衛星，地球資源遙感衛星和高分辨率的軍用間諜衛星等。

1、典型民用和軍用圖像傳感器光譜段應用

　 可見光～近紅外(VNIR)波段是測繪、水深透和特征分辨最重要的光譜區。短波紅外波段(SWIR)在確定植物水分和分辨雪與云狀物方面最為重要，因而對農作物條件分析、氣象、天氣預報和全球變化有關的科學研究極為有效。從地質角度來看，該光譜區是非常有用的，因為該光譜段提供了有關地球表面，如土壤、巖石和植物的大量信息強度對比；短波、中波、長波和更長波長的紅外光譜段對軍用和航天星際探測具有極為重要的意義。其應用范圍列于表1中。

2、星載固體光電子圖像傳感器應用

　隨著CCD、CMOS和紅外焦平面陣列傳感器技術的飛速發展和成熟， 已廣泛地用作全景、多光譜、超光譜圖像傳感器。

· 全景掃描攝像機采用高分辨率的線陣列或TDI陣列圖像傳感器，在可見光到近紅外的寬光譜區內產生高分辨率的黑白圖像。多光譜攝像機采用高分辨率的多光譜線陣列圖像傳感器用于紅、綠、藍，近紅外和短波紅外光譜區的分離波段產生可見光至紅外(IR)區的彩色圖像， 多光譜成像儀一般能觀測幾個到十幾個光譜波段。

· 超光譜攝像機(Hyperspextral Imager)則采用光機掃描線陣列和面陣列圖像傳感器，光譜更窄(10nm)，產生的是高光譜分辨的光譜圖像信息，一般具有100~400個譜段的探測能力，光譜分辨率在 左右。廣泛用于各種地球資源的探測，同時也具有重要的軍用意義，因為超光譜成像儀可以獲得精細的目標光譜曲線，可通過觀察所獲得的光譜圖像及光譜圖像的變化，進行軍事裝備的識別和偵察，評估作戰效果。迄今為止，星載超光譜成像光譜儀還都是以科學試驗為目的展開研究的，目前一般還都處于驗證性實驗階段。美國1997年8月23日發射了世界上第一顆攜帶超光譜成像儀（HIS）的小型對地觀測衛星“劉易斯”（Lewis）。

· 超超光譜成像儀（Ultra-Hyperspectral Imager）可探測譜段數多達400~1000個左右，而譜帶寬更窄 。超光譜成像儀主要用于科學研究，如氣體的化學成份和各種物理特性分析等，與超光譜成像儀的工作機理類同，譜段更多更窄，是今后的發展方向。

　雖然星載CCD、CMOS和紅外焦平面陣列全景、多光譜、超光譜和超超光譜星載圖像傳感器件技術及其應用技術已相繼得到應用，在多光譜、超光譜和超超光譜應用方面不斷取得進展，引起了全世界的關注，應用前景非常廣闊，但是，這種應用必竟還處于發展和探索階段。這些應用主要是地球資源衛星傳感器、陸地和海洋觀察衛星傳感器、空間預警衛星傳感器、主題測繪衛星傳感器，紅外天文衛星傳感器、軍用偵察衛星傳感器和軍用氣象衛星傳感器等。

（1）地球資源衛星傳感器

　地球資源衛星是目前全世界應用最廣的多功能和多用途空間飛行器，它利用所載遙感系統能對地球資源進行勘測，獲取地表各類資源的特征及分布情況，對資源開發、國民經濟建設極為重要。地球資源衛星常號稱商用目的，而實則是軍民兩用。特別是對于那些分辨率較高的資源衛星，還可以對地面上諸如機場、防空設施、港口、導彈發射基地、鐵路網等軍事設施進行偵察，對軍事地形的測繪，軍隊和裝備的調動進行實時監視等。 “陸地衛星”（LandSAT）、“晨鳥”（Early Bird）、EO-1及 “快鳥”(Quick Bird)等這些地球資源衛星既是軍用空間偵察衛星，也是商兩用的。

①地球觀察(EO-1)衛星是美國NASA 新千年計劃的一部分，其目的是驗證降低成本和改進圖像質量的先進技術。2000年11月21日發射，攜帶有TRW空間電子制作的Hyperion超光譜攝像儀，是推帚式掃描成像儀，地面刈幅7.5km，空間分辨30m(705 km高度)。使用的星載固體圖像傳感器包括可見光-近紅外(VNIR)-短波紅外(SWIR)的焦平面陣列傳感器。其中，可見光-近紅外(VNIR)使用的是60×256元幀轉移CCD焦平面陣列，SWIR 陣列是256×256元的HgCdTe器件，其超光譜段多達220個，提供礦產、地質、森林資源和農業的增強遙感數據與Landest-7號衛星增強主題測繪儀(ETM)獲取的數據進行比較。圖1是Hyperion發回的南澳大利亞地形圖像比較。

②美國“DigitalGlobe”公司研制的“快鳥”分辨率高達63cm,這一迄今為止目前世界上最先進，分辨率最高（競達到61cm）的空間成像衛星的出現，確實應該引起人們的密切關注。事實上，英、日、法、俄等國也有不少這種衛星在空間運行監視著全球各個地區和角落。然而，沒有一個商用衛星有“快鳥”衛星這樣先進，分辨率有如此之高，就連法國的Spot衛星也都沒有達到“快鳥”的水平。Spot 衛星是世界上早已聞名的商用衛星，而實際上一直在為軍事應用作貢獻，是一個帶有十分濃厚軍用色彩的商用衛星，其地面分辨率為5m，而“快島”卻達到0.6m，其分辨率已達到最先進的軍用間諜衛星水平。

　 由于美國的固體圖像傳感器技術一直處于世界領先地位，其CCD圖像傳感器的線陣列和TDI-CCD陣列及其芯片拼接技術在多光譜衛星成像技術方面應用十分靈活主動，可實現多達數十個波段的多光譜成像探測、其面陣列可大達上千萬元的陣列，可實現全景掃描的大視場傳感器應用。這種面陣傳感器均可達到極高的分辨率。

“快鳥”使用全景（黑白）和多光譜彩色近紅外傳感器，傳感器采取推帚掃描方式對地球表面的目標進行攝像，獲得的圖像存儲在星載存儲器中，把數據下傳給設在地球北極的地面接收站、其特點是：

·大面積探測和監視：地面刈幅為16.5×16.5km=272km2，一年中對地球表面的拍攝面積寬達7000萬km2，這相當于整個北美洲大陸的3倍，是我國960萬km2的7倍以上，這等于一年中將我國的全部國土各個角落都納入攝像機視場7次。

· 超高空間成像分辨率

“快鳥”的全景掃描成像傳感器最高的圖像分辨率達到61cm，而多光譜傳感器獲得的圖像分辨率為2.44m。物理圖像尺寸為27552×27424像素，可謂大矣，從衛星上垂直向下觀察地球的攝像范圍16.5×16.5km，像素深度等級11bit（2048級）；圖像信息量極大，建筑物的陰影、明暗部分十分清楚。61cm的分辨率，其分辨精度可清楚地從衛星圖像上看出人影，甚至連以前獲得的衛星圖像也可合起來用于對土地利用分類和地球表面物體進行分析，甚至連正在路上行進中的車輛種類均可判別出來。這一精度不斷把民用衛星的圖像分辨率提高到了一個新的水平，而且這一分辨率的衛星對軍用具有極為重要的價值。表2給出了“快鳥”的主要性能參數，表3出了其適用的范圍和領域。

　 美國柯達公司研制的星載固體圖像傳感器，工作于全景模式時采用8000元的CCD長線陣，雙芯片光學拼接組合，從460Km高空地面取樣寬度為1.0m，地面刈幅寬度為8.0m，64級TDI工作在極低光照條件下攝像；工作于多光譜模式時，采用2000元的可見光硅光電二極管陣列光譜區為藍、綠、紅和近紅外四個波段區，高空地面取樣寬度為4.0m；工作于超光譜模式時，在可見光～近紅外區采用1000×50元的硅可見光焦平面陣列，把0.4µm～1.0µm的光譜區分成了60個連續的波段，而在短波紅外區內，采用1000元的短波HgCgTe紅外焦平面陣列，在1.0µm～1.75µm的三個光譜區內，其波段多達40個，地面對面取樣寬度為8.0Km。

　法國共成功地發射了四顆“斯波特”（SPOT）新型商業地球資源遙感衛星，目前正在研制第五顆。這種衛星的軍民兩用性質在伊拉克戰爭中所起的作用是非常明顯的。SPOT-攜帶兩臺相同的高分辨率遙感器HRV(High Resolution Visible imagine System)，采用可見光CCD圖像傳感器，多光譜和全色波段兩種工作模式，其地面分辨率高達5m～10m。可見光高分辨率的掃描成像譜儀，屬于第二代光機掃描成象儀。由一個瞄準反射鏡、準施密特望遠鏡系統及四個CCD陣列探測器組成。CCD陣列位于望遠鏡焦平面上，分別工作在綠色500nm~590nm波段、紅色610nm~680nm波段、近紅外790~890波段及一個全色模式波段510~730nm。在全色波段其地面分辨率高達10m，多光譜波段20m間隔地面取樣， HRV采用了新的CCD成像技術并利用推掃原理進行工作，通過安裝在儀器焦平面上的CCD列陣，對圖像上的各條掃描線進行電子自掃描，通過衛星沿其軌道的運動，可產生沿軌跡方向的連續掃描圖像，這樣每個地面成像點都可自動達到最長曝光駐流時間，從而大大提高了光譜儀的成像質量。

　由于HRV工作在可見光波段及近紅外區，能滿足需要地球自然資源探測需要，但是隨著紅外焦平面陣列技術的發展， 1998年3月24日成功發射的SPOT-4衛星所攜帶的成像光譜儀就是高分辨率可見光紅外成像儀（HRVIR），增加了一條新的中紅外通道，大大加強化了其軍用能力。

　日本、印度等周邊國家近年來地球資源衛星的發展也很快。日本地球資源衛星-1(JERS-1)于1992年2月用H-1火箭發射，它是日本的第一顆地球觀測衛星服役達6.5年。JERS-1衛星總共提供了30多萬幅光學遙感圖像，主要用于試驗光學遙感器在可見光-近紅外-中紅外區的工作能力，并進行地球資源綜合觀測。印度第二代地球資源遙感衛星（IRS-IC、IRS-ID）載有CCD攝像器件的全色相機、四波段多光譜相機和寬視場相機，在太陽同步軌道的地面分辨率達到10m，還可更高。

（2）海洋監測衛星傳感器

　海洋監測衛星對民用和軍用都有極其重要的意義。是對海上活動和海軍裝備系統進行偵察的衛星。這種星載光電傳感探測器能發現艦船及潛艇活動目標，并確定目標具體方位及活動信息，還可負載紅外及多光譜掃描傳感器。美國從1976年開始發射的“海軍海洋監視衛星”（NOSS）（又稱“白云”White Cloud和“命運三女神”Parcae），俄羅斯于1974年開始發射的“宇宙號”電子型1號海洋監視衛星（EORSAT），日本1987年發射了MOS-1第一顆極軌對地觀測衛星，現已停止工作。1990年2月發射了MOS-1b，傳感器是多光譜電子自掃描輻射計和可見光/熱紅外輻射計，還試用了512×512元的PtSi中波紅外焦平陣列傳感器，地面刈幅寬100 km×2，1500 km，地面分辨率50 m、900m/27 km、32 km(23 GHz)，其主要任務是海洋觀測，如海洋水色，地表水面溫度，云和大氣水分等，并進行遙感設備和數據應用試驗。

（3）早期彈道導彈發射預警衛星

　 在現在高度發展的導彈技術時代，獲得先進的導彈發射攻擊告警能力以提供足夠的預警時間，采取有效的對抗措施，這對國家的安全和生存是致關重要的，因而大型紅外焦平面陣列技術一直是各國獲得這種能力的主要選擇方案。

　當今世界上除了美、俄擁有可數次毀滅地球的龐大核武庫外，擁有和即將擁有的這種先進戰略導彈核武器的國家也在日益增多。由于各種因素導致的突發性事件隨時都有可能發生，這種核對抗和沖突是十分可怕的。必須在早期導彈發射時就可根據火箭發動機噴出的熱煙霧及時捕獲和清楚地分辨出冷發射目標。這種冷的發射飛行器的溫度通常約為250℃，而從火箭發動機噴射出來的熱羽煙溫度高達950℃。根據普郎克黑體輻射理論，二者在4mm波段時的光通比約為25000，而在8.5mm時約為115。因而采取的波段（8mm ~14mm）的紅外焦平面陣列就可獲得極高的瞬間動態范圍，通常為12bits(即4096)。像目前的GaAiAs/GaAs量子阱紅外光電探測器焦平面陣列規模大達640´480元，工作波長不但可以是3mm~5mm，8mm ~9mm，還可達到14mm~15mm，不但可單波段工作，而且還可實現雙波段工作。事實上美國彈道防御機構在幾年前做的專門實驗中就用的是長波GaAiAs/GaAs量子阱紅外光探測器焦平面陣列攝象機及時捕獲和極為清晰地分辨出Delta-2火箭，并獲得了非常清晰的圖像，如圖2所示。

　美國空軍已選定洛克西德馬丁公司的一個承包合同小組。研制新一代星載紅外導彈告警系統，為美國及其部署的軍隊和盟國提供來襲導彈的告警時間，并進行跟蹤，安裝在五顆地球同步衛星和二顆高軌道衛星上，2000年開始部署低地球軌道衛星，2002年發射地球靜止衛星，到2020年完成，傳感器有二種，一種負責快速掃描探測出已發射的導彈，另一種為凝視陣列，負責跟蹤目標，合同初步金額為18億美元。為了降低成本，美國陸軍和高級研究規劃局在發展低成本非致冷紅外焦平面陣列技術方面投入了相當多的資金，其目的在于使紅外焦平面陣列技術的單價降到300~600美元（而目前的大型凝視陣列數萬美元），從而使新一代導彈攻擊告警系統（MAWS）的成本降到10萬美元，而目前致冷焦平面陣列同類系統的標價為50萬美元。由俄亥俄州賴特實驗室發的二項研究計劃分別為“強干擾中的探測（DICE）和用作告警傳感器的低成本陣列（LAWS）。賴特、洛克希德、桑德斯、尼科爾斯研究和大西洋航空航天電子設備公司幾家承包負責信號處理計劃（DICE），提高紅外導彈告警系統除去干擾的能力，洛克希德、桑德斯、德克薩斯儀器公司負責研究這種LAWS陣列，這種技術還適用于各種飛機。由于這種陣列的靈敏度不及制冷紅外焦平面，將采用信號處理和加大非制冷紅外焦平面陣列的陣列規模彌補其不足，美軍的該計劃已于1997~1998年間開始實施。美國現役彈道導彈預警衛星上的紅外探測器長3.6m，孔徑0.91m，探測器陣列元數由6000元的 PbS和HgCdTe的紅外探測陣元組成，對導彈發動機尾焰波長2μm～7μm的紅外輻射極其敏感。當衛星以5r/min～7r/min的速度自轉時，其每隔8s～13s就可對地球表面1/3的區域重復掃描一次，通過連續掃描測出彈道導彈的位置和移動方向。將于2006年部署的美國天基紅外導彈預警衛星系統(SBIRS)，由高軌道衛星和低軌道衛星組成。SBIRS系統采用24000個HgCdTe元組成的線陣和面陣列凝視成像焦平面紅外探測器，其長波紅外探測器在外層空間對彈道導彈助推段的探測能力達300km。

（4）天文探測空間傳感器

　天文探測一直是大國和強國實力的標志，是大國激烈競爭的又一個領域， 先進的紅外焦平面陣列傳感器將為人類的太空天文探測提供更為先進的手段。目前在許多空間探測器上已安裝上先進的紅外傳感器。.雖是科學探索，但卻具有重要的軍事意義， 例如，美國1994年1 月25日發射的“克萊門廷”（Clementine）月球探測衛星，也主要有軍方使用，驗證其反導系統所用紫外、可見及紅外各譜段成像傳感器在太空環境中的性能。隨著微電子技術和固體圖像傳感器技術，特別是紅外焦平面陣列技術的飛速發展，長線陣和大格式多元陣列的應用使該領域的獲得了更加進的手段。　　

　 日本九十年代就已發射了搭載紅外焦平面陣列的紅外天文衛星，已完成了對2004年發射新的一顆ASTRO-F紅外天文衛星搭載的近紅外和中紅外焦平面陣列作了評價。ASTRO-F衛星是日本的第一顆完全用于紅外天文學的天文衛星。該衛星上裝載的紅外攝像機（IRC）將在2µm～26µm波長范圍進行成像和光譜觀測。該紅外攝像機將包括三個通道：近紅外通道（2µm～5µm）、中紅外S通道（5µm～12µm）和中紅外L通道（12µm～26µm）。近紅外通道采用一個512×412元InSb陣列，中紅外S（MIR-S）通道和中紅外L（MIR-L）通道則都使用256×256元Si:As IBC陣列。這些陣列都是由美國雷聲IRO公司制造的。

　 美國在發展這種紅外天文衛星用低背景紅外焦平面陣列技術方面進展特別快，已發回了不少有關我們所在太陽系遙遠行星和月球的照片，如幾年前獲得的有關彗星撞擊木星的紅外天文照片。美國航天局的哈勃（Hubble）空間望遠鏡是目前使用紅外攝像傳感器最為先進的空間探測器。圖3是夏威夷凱克天文臺用InSb陣列攝得的休梅克-利瓦伊彗星撞擊木星的一系列紅外圖像中的二張照片。

　 洛克威爾科學中心和夏威夷大學已于1999年研制出了世界上最大的兩種2048×2048元短波（SWIR）和中波（MWIR）HgCdTe紅外焦平面陣列，其光譜響應范圍分別為0.85&micro;m～2.5&micro;m和0.4&micro;m～5&micro;m，其名字叫HAWAII-2的這種陣列性能與早期研發的HAWAII1024×1024元的陣列類同，量子效率為>75%，暗電流低達<0.01電子／秒，兩個波段的噪聲電平分別為<3電子和<10個電子，其設計規格為0.8&micro;m，并用二個2048×2048元可見光陣列和二個2048×2048元紅外焦平面陣列分別拼接出4096×4096元的大型陣列。

四、星載固體光電子圖像傳感器應用的發展趨勢

　由于固體圖像傳感器陣列器件技術的迅速發展和成熟，焦平面陣列技術已從可見光-近紅外波譜區發展到了短波紅外、中波紅外和長波紅外區，為空間星載固體光電子圖像傳感器應用發展與相關系統設計提供了可靠的支撐技術。

1、可單芯片和多芯片線陣列和TDI陣列的芯片拼接和光學拼接，實現數千、上萬乃至數萬像元的特長陣列空間傳感器，如加拿大的DLSA公司制作的單個和多個2048×96、2048×144和4096×96的拼合起來的星載或機載推帚式掃描傳感器；

2、已實現了特大型的大格式和大視場高分辨率的空間圖像傳感器，如2048×2048、4096×4096和6144×6144元的陣列；

3、已從可見光—近紅外波譜區發展到了短波紅外(SWIR)、中波紅外(MWIR)和長波紅外(LWIR)區，如可見光硅CCD、CMOS圖像傳感器陣列器件、InGaAs、PtSi、HgCdTe、InSb和GaAlAs/GaAs等近紅外、短波紅外、中波紅外和長波紅外焦平面陣列，甚至HgCdTe低背景陣列已達到了2048×2048元，預期不久會出現4096×4096元的陣列；

4、目前的固體攝像陣列用作星載全景掃描和多光譜圖像傳感器是非常成功的，其商用傳感器系統的分辨能力已逼近最先進的10?M軍用分辨能力；超光譜圖像傳感器應用也在迅速取得進展，2000年11月21日發射的地球觀察(EO-1)衛星攜帶的Hyperion超光譜攝像儀是TRW空間與電子為NASA Goddard空間飛行中心制作的，其超光譜波段多達220個，從0.4&micro;m～2.5&micro;m的寬譜區內各波段窄達10nm；

5、星載固體光圖像傳感器的光譜復蓋區已從可見光、近紅外發展到了短波紅外和中波紅外區，預期這方面的應用發展會加快；

6、正在發展更窄光譜的超超光譜星載圖像傳感器技術。

五、結語

　 空間探測技術對商用和國防軍用都具有極為重要的意義，競爭極為激烈。可見光硅CCD、CMOS圖像傳感器陣列器件、InGaAs、PtSi、HgCdTe、InSb和GaAlAs/GaAs等近紅外、短波紅外、中波紅外和長波紅外焦平面陣列空間傳感器的迅速發展和成熟對空間探測技術的發展產生了深遠的影響，為該領域的應用提供了可靠支撐技術；目前的星載全景掃描和多光譜圖像傳感器是非常成功的，其商用傳感器系統的分辨能國力已逼近最先進的10?M軍用分辨能力；超光譜圖像傳感器應用也在迅速取得進展，其光譜范圍已從可見光、近紅外區延伸到短波紅外、中波紅外和長波紅外區；正在發展超超光譜星載圖像傳感器技術。