对中波与长波红外焦平面热成像的一些探讨

第２４卷第２期　２００２年月３月　红外技术　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＶｏＩ＿２４　Ｎｏ．２　Ｍａｒｃｈ　２００２　对中波与长波红外焦平面热成像的一些探讨’　吴诚　，苏君红　，潘顺臣。，冯生荣　，金伟其　（１．北京理工大学光电工程系，北京１０００８１；２．昆明物理研究所，云南昆明６５０２２３）　摘要：　从对３～５　ｍ和８～ｌ４　ｍ两个红外波段的大气传输特性、背景限ＮＥＴＤ值计算、整机系统及　应用等方面的分析比较入手，对这两个波段凝视热成像技术进行一些讨论，以说明３～５　ｍ焦平面热　像仪在第三代热成像技术发展中的重要地位。　关键词：　热成像；　中波红外；　长波红外；　焦平面　中囤分类号：ＴＮ２１６　文献标识码：Ａ　文章编号：ｉ００１—８８９１（２００２】０２－０００６—０３　看，在红外区域，大气的吸收效应占优势，而散射只起　一ｌ引言　从红外焦平面阵列（ＩＲＦＰＡ）探测器的工作模式　看，红外焦平面阵列可分成两类：热效应探测器（热释　个较小的作用。　我们都知道，在大气中存在弱吸收的光谱区，称为　“大气窗口”，主要有　①１～３　ｍ窗口：辐射传输的衰　减主要是大气散射；②３～５　ｍ窗口：其大气辐射衰减　主要是Ｃ０２的吸收；￣８￣１４　ｍ窗口：其辐射衰减主　要是和ｃＯ２的吸收。其中８～ｌ４　ｍ与３～５　ｍ两个　波段是红外热成像所常用的两个主要窗１２１。　电探测器、测热辐射计等）和量子效应探测器　（ＨｇＣｄＴｅ、ＩｎＳｂ、ＰｔＳｉ等光导或光伏型探测器以及量　子阱探测器等）；按制冷方式分，又可分为制冷型和非　制冷型两类。　目前所有工作于３～５　ｍ和８～１４　ｍ波段制冷　型焦平面热像仪都基于光子探测原理，即依赖入射红　外光子在探测器中引发的载流子，定向生成的光生电　荷产生正比于入射红外辐射通量的信号。通常需要在　２００　Ｋ温度以下工作，并取得到目前领先于其它各类　阵列的高探测性能指标。　自７０年代后期提出红外焦平面阵列的概念以来，　经过２Ｏ多年的研究，已经取得了重大的进展，研制出　了一系列单片式和混合式红外焦平面阵列。而近年　来，焦平面热成像技术在中波３－－５　ｍ波段已取得比　长波８－－１４　ｍ波段更为长足的进步，尤其是基于３２０　×２４０（或３８４×２８８）元ＨｇＣｄＴｅ和ＩｎＳｂ中波焦平面　探测器的红外热成像技术，已达到很高的性能指标（如　ＮＥＴＤ可达２Ｏ　ｍＫ左右）。法国目前把红外热成像技　３工作波段的选取与比较　３．１理想状态下中波与长波热像仪的相对性能　热成像系统的工作光谱范围是８～ｌ４　ｍ和３～５　ｍ，选择哪个范围取决于目标和背景的能量特性（温　度及发射率）、大气和光学系统的光谱透过率及探测器　的光谱灵敏度。　对热成像系统来说，需要对不同波段范围内的噪　声等效温差ＮＥＴＤ值进行计算，才能反映出各方面都　相同而工作波段不同的两个热成像相同的相对性能。　在背景限制（ＢＩ　ＩＰ）的情况下，热像仪的ＮＥＴＤ值表　示为　术划分为三代，第一代为长波光机扫描型，第二代以长　波２８８×４　ＣＭＴ为代表，第三代以中波３２０×２４０　ＣＭＴ为代表。因此，下面将对３－－５　ｍ与８～１４　ｍ　波段红外焦平面热成像技术进行一些探讨。　Ｎｍ一藉　。　＂￣Ｂａｐ　㈣　Ｊ＾Ｌ　式中：。，６为探测器的尺寸；　，．９为探测器的张角；ＴＢ　为背景温度；Ｄ　（　）为背景限比探测率与渡长的函　数；Ａｏ为光学系统的有效聚集面积；ｒ０为红外光学系　２两个红外波段的大气传输　由于目标和景物的红外辐射需经过地表大气的传　输，才能被红外热像仪所探测，从大气对辐射能的衰减　统的透射值；△＾为测试基准滤波器的等效噪声带宽；　Ｗ　为光谱辐射发射量；ｃ２为常数。　假设除工作波段在＾　～　ｚ或　～　不同的光谱　・收稿日期：２００１－１２－２０　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００２年３月　吴诚等：对中波与长波红外焦平面热成像的一些探讨　第２４卷第２期　范围内，而其它参数都不改变的两个理论上很理想的　系统，其相对的性能可以由这两个光谱范围内的　ＮＥＴＤ之比来反映，即由（１）式得到的　Ｎｍ（　１～　（２３　（即１０。～１０　），其性能提高了近３个数量级；且目前３　～５，ｕｍ焦平面探测器的单元灵敏度又比８～１４　９－ｍ探　测器高２～３倍左右。因而，基于３２０×２４０元的中波　与长波热像仪的总体性能指标相差不大。这是３～５　ＮＥＴＤ（ａ３～　）Ａ４ｍ焦平面探测器（ＨｇＣＡＴｅ、ＩｎＳｂ）在第三代焦平面热　成像技术中受到重视的原因之一。　ＤＡ口（　）ｆ￣Ｗａ，（Ｔｕ）ｄＸ…　ｌ　探测器的Ｄ　（　）都取背景限制值Ｄ　（　）．这　样可不受探测器类型的影响　对于在８～ｌ４　ｍ和３　～５／＊ｍ范围内工作的ＢＩｍ　探测器，Ｄ　（１４　ｕｍ）一　３．２７×１０　。（ｃｍＨｚ　门／ｗ），Ｄ　（５　ｆｉｍ）一１．０９×１０”　（ｅｍＨｚ”　／ｗ），　取３００　Ｋ。因此，可得到　里！　！　＝　２一　ＮＥＴＤ（８～１４　ｍ）　１４×１篇　．０９×１０“×．５繁　５６　Ｉ×０　　‘一　㈤　结果表明，当其余所有参数相同，大气透射也一样　时，热像仪在８～１４／＊ｍ波段工作的理想性能比在３～　５／＊ｍ波段大３．３１倍　也就是说，在背景限，若３～５　／＊ｍ波段热像仪的ＮＥＴＤ值小于８～１４　９－ｍ波段热像　仪的ＮＥＴＤ值３．３１倍时，这两种热像仪的性能将大　致一样。　３．２热成像技术的发展与工作波段的选取　第一代红外热成像系统可选择工作波长为８～１４　ｍ的ＨｇＣｄＴｅ或３～５／＊ｍ的ＩｎＳｂ。由于探测器元　数极为有限，一般不超过２００元；至于选用哪个波段，　则主要取决于目标和背景的辐射特征、大气的光谱透　射比以及探测器的光谱灵敏度　如：探测器都为背景　限的性能、目标和环境温度为３００　Ｋ、两波段大气透射　比和其他参数相似的情况下，长波系统的温度灵敏度　要比中波的好３倍左右，也就是一个长波探测器所能　达到的性能与１０倍中波探测器元数系统的性能相当。　所以，各国的热成像无一例外，都选用长波ＨｇＣｄＴｅ。　经２０年的努力，第二代的红外系统仍然选用长波　ＨｇＣｄＴｅ的探测器，探测器单元数为１０　，多数要求是　把第二代热成像系统的对目标识别距离设定为第一代　的１．４～２倍；而且，还是需要一个扫描器，探测器的排　列为２８８Ｘ４、４８０Ｘ４、５７６×６、９６０×４等，扫描方向为　延迟积分（ＴＤＩ）以提高系统的灵敏度。因此，第二代　热成像也太都选择在长波工作　而红外焦平面技术发展到第三代后，情况有所变　化。此时的探测器单元数已达到３２０×２４０元或更高　３．３两个红外波段的一些比较　３～５　ｍ窗口是红外热成像的窗口之一。较高温　度的目标在这个区域有很强的辐射，如　适用于观察和　跟踪空中目标等；其次，在潮湿或大气水分高的地区，３　～５／＊ｍ波段的大气透射要优于８～ｌ４　９－ｍ波段；另外，　对红外热像仪整机系统来说，在光学衍射限制和同一　分辨角的情况下，３～５　９－ｍ波段的光学口径要比８～　１２　９－ｍ波段的小一半。这对降低红外热成像系统的体　积与重量，有着显而易见的贡献，符合当前及今后热像　仪小尺寸、轻重量的发展趋势。　８～１４／＊ｍ窗口也是红外热成像的重要窗口。地　球表面温度在３００　Ｋ左右，其辐射正好位于这个区域，　是地表目标热成像的主要区域；其次，在常温下，８～１４　ｐ．ｍ波段的入射光子数要比３～５　９－ｍ波段高几十倍左　右，对红外焦平面探铡器来说，其读出电路易出现饱和　状态，这就需要降低探测器单元的响应积分时间。同　时，在应用方面，高背景使得对长波焦平面探测器各探　测单元均匀性的要求变得更高；另外，由于长波　ＨｇＣｄＴｅ探测器材料固有的特性及制备技术方面的问　题，长波ＨｇＣｄＴｅ焦平面探测器比中波ＨｇＣｄＴｅ焦平　面探测器，在价格上贵很多。　３～５／＊ｍ波段焦平面热成像技术相对于８～１４　／＊ｍ波段的这些优点，是３～５／＊ｍ焦平面探测器　（ＨｇＣｄＴｅ、ＩｎＳｂ）在第三代焦平面热成像技术中受到　重视的另外一个原因。　基于上述的两个主要原因，中波凝视焦平面热像　仪在第三代焦平面热成像技术的发展进程中异军突　起，其发展与应用速度超过同规格（单元数）的长波热　像仪，这与其较高的性价比、以及体积小及重量轻的优　势是密不可分的。　表１是几种目前典型的第三代、第二代热像仪产　品的部分性能指标对比。　４结束语　以上仅是对两个红外波段热成像技术的部分对　７　维普资讯 http://www.cqvip.com

Ｖｏ１．８４　Ｎｏ．２　红外技术　Ｍａｒｃｈ　２００２　比，３～５　ｍ与８～ｌ４　ｍ波段所对应的目标与景物的　将以ＨｇＣＡＴｅ和ＩｎＳｂ焦平面器件为主。尤其是　辐射强度仍有所不同，所各自适应的大气与气候条件　也有所不同。因此，在面向具体的应用时，应充分考虑　ＨｇＣｄＴｅ焦平面探铡器仍将以其高量子效率、高灵敏　度、覆盖中波和长波的优势，成为第二代、第三代热成　像和其它高级红外系统的优选探测器。与第一、二代　热成像系统相比，第三代焦平面探测器元数已不再是　目标与景物的辐射特征、使用地理与气候、整机性价比　等各方面的因素，以求得最佳的应用方案。　另外，据各方面资料显示，今后的高性能红外系统　系统的限制因数，而其它条件就显得更为重要。　表１第三代、第二代热像仪典型产品的部分性能指标对比　Ｔａｂｌｅ　１　Ｓｏｍｅ　ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｃｏｍｐａｒ［ｓｏｕ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｓｅｃｏｎｄ　ａｎｄ　ｔｈｉｒｄ　ＩＲ　ｉｍａｇｅｒ　热像仪　工作波段／ｔｔｍ　ＪａｄｅｌＩＭＷＩＲ　ｌ　ＳＣＤＩＲＭ　３～５　Ｉ　３～５　ＪａｄｅⅡＬＷ１Ｒ　８～１４　ｏＳｏｈｉｅ　８～１４　探测器材料　探测器单元尺寸／ｔａｍ　ＮＥＴＤ／ｍＫ　ＨｇＣｄＴｅ　２５Ｘ２５　２Ｏ　ｌ　ｌ　１　ＩｎＳｂ　３０×３０　３０　ＨｇＣｄ￣　２５Ｘ２５　３５　ＨｇＣｄＴｅ　２５Ｘ２８　８Ｏ　参考文献　［１］张幼文．虹外光学Ｔｍ［Ｍ］．上海：上海科学技术出舨杜，１９８２．　［２］张敬贤，车玉丹，盒伟其．擞光与红外成像技术［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，１９９５．　［３］迈克．劳埃德，热成像幕统［Ｍ］．‘红外与激光＇编辑组翻译ｔ　１９７８．　［４］＆　科语勃罗多夫．红外热成像［Ｍ］．航天工业总公可第三研究院三都、８３５８所联台岛译出舨・１９９４．　［５］苏君红，吴诚．红外光电探铡技术的现状和今后的展望［Ａ］．中国工程院信息与电子工程学部工程科技论坛第五场文集［ｑ，２０００．　［６］Ｌｉｄｄｉａｒｄ　Ｋ　Ｃ　Ｓｔａｔｕｓ　ｏｉ　ｌｏｃａｌ出ｒｔｅ　ｄｅｔｅ￣ｏｒ　ａｒ￣ｙｓ　ｆｏｒ￥ｉ＇Ｄ￣Ｔｔ　ｍ　ｓ∞ｓｏ　［Ａ］，ＳＰＩⅡｑ　１９９８，２７４６．Ｐ７２￣７９．　［７］Ｅｉｌｉｏｔｔ　Ｃ　ｔ　Ｓｐｒｉｔｅ　ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ　ａｎｄ　ｓｔａｒｉｎｇ　ａｒｒａｙｓ　ｉｎ　ＨｇＣｄＴｅＦＡ］．ｓＰ　Ｔ瓯ｑ．１９８８，８９０．　［８］Ｃ￣ｓｅｌｍａｎ　Ｔ　Ｎ．Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ　ａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ａ］．ＳＰＩⅡｃ］．１９９７．２９９９．Ｐ２￣ｌ１．　［９］ＲｕｎｄｒｒｍｎＨＩＶ／．ＩｎｆｌｕｎｃｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ∞ＦＬＩＲＷａｖｅｂａｎｄ　Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ［Ａ］．ｓＰｍ［ｃ］．１　９９５ｔ２４７０．Ｐ１５６￣１６７　作者简介：吴诚，１９６６年出生，高工，博士生，研究方向：光电系统设计与电子图像处理。　苏君红，１９３７年出生，中国工程院院士，博士生导师，主要从事红外光电系统等方面的研究。　Ｓｏｍｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ＩＲ　Ｓｔａｒｉｎｇ　Ｉｍａｇｉｎｇ　ｉｎ　ＭＷ－ＩＲ　ａｎｄ　ＬＷ－ＩＲ　Ｗａｖｅ　Ｂａｎｄ　ＷＵ　Ｃｈｅｎｇ　，ＳＵ　Ｊｕｎ—ｈｏｎｇ’，ＰＡＮ　Ｓｈｕｗｃｈｅｎ　，ＦＥＮＧ　Ｓｈｅｎｇ－ｒｏｎｇ　，ＪＩＮ　Ｗｅｉ—ｑｉ　（１．Ｂｅ￣ｍｇＩｎｆｌａｔｅ　ｏｆ　ＴｅｃｎｏｌｏｇｙｔＢｅｉｊｉｎｇ１０００８１．Ｃ＆ｉｎ￣；２．ＫｕｎｍｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ脚ｙｓ＠ｓｔＫｕｎｍｉｎｇ　６５０２２３ｔＣｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｔｏ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｌｉｍｉｔ　ｗｉｔｈ　ＮＥＴＤ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｉｍａｇｅｒ　ａｐｐｌｉａｔｃｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　３～５　ａｎｄ　８～ｌ４　ｍ　ｗａｖｅ　ｂａｎｄ，Ｓｏｍｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　ｓｔａｒｉｎｇ　ＩＲ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｇｉｖｅ＆Ｉｔ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｂａｅｓｄ　ｏｎ　ｆｏｃａｌ　ｐｌａｎｅ　ａｒｒａｙ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｆ０ｒ　３～５　ｖｉｍ　ｂａｎｄ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｖｅｒｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｈｉｒｄ　ＩＲ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｒｍａｌ　ｉａｇｉｍｎｇ；ＭＷ－ＩＲ；ＬＷ一１Ｒ；ｆｏｃａｌ　ｐｌａｎｅ　ａｒｒａｙ