航天遥感红外探测器需求与发展综述
航天红外遥感已广泛地应用于军事国防、大气探测、水体探测、资源探测和空间天文观测等领域，航天遥感红外探测器是遥感载荷的核心器件。
据麦姆斯咨询报道，近期，北京空间机电研究所的科研团队在《激光与红外》期刊上发表了以“航天遥感红外探测器需求与发展”为主题的文章。该文章第一作者和通讯作者为孙启扬高级工程师，主要从事宇航红外探测器的研究工作。
本文对航天遥感红外探测器需求的关键指标进行了分析，将航天遥感红外探测器分为成像类、光谱类和天文探测类，并介绍了三类探测器的特点和发展现状。
航天遥感红外探测器关键指标
红外遥感载荷的诸多关键指标均受限于红外探测器的性能指标，如载荷的幅宽、分辨率、调制传递函数（MTF）和光谱分辨率等。其中，红外探测器的像元规模、MTF、信噪比、有效像元率和像元一致性是核心指标。
像元规模
遥感载荷的地面分辨率（GSD）通常定义为地面上可分辨目标的最小间距，在不考虑信噪比和MTF的情况下，遥感载荷的地面分辨率可简化为如下公式：
凝视型载荷通常选用面阵探测器，其二维幅宽即为面阵探测器像元规模（M×N）与分辨率的乘积。扫描型载荷通常选用线列探测器，其幅宽即为线列探测器像元规模（L）与分辨率的乘积。
调制传递函数（MTF）
红外遥感载荷的光学调制传递函数由光学系统传递函数（MTFop）和探测器调制传递函数（MTFdet）等共同决定。
除受光学能量限制外，红外探测器像元间的光生载流子的串扰、读出电路带来的像元间输出信号的串扰等因素会导致MTFdet的进一步降低；对于线列型红外探测器，帧间的串扰也会导致扫描方向的MTFdet的降低，这些都是红外探测器在设计研制中需要着重考虑的。
信噪比（SNR）
对于成像类载荷，MTF和SNR的乘积共同决定了载荷的图像质量，MTF决定了红外遥感载荷在空间维度的细节分辨能力，而信噪比决定了载荷在辐亮度、温度等探测量的细节分辨能力。红外遥感载荷的信噪比，主要由光学系统和红外探测器决定，光学系统主要通过增加口径、降低内杂散辐射、提升透过率等手段来获得更高的系统信噪比；对于红外探测器而言，需要结合载荷的具体使用工况条件，合理分配探测器的量子效率、暗电流和噪声等指标，以满足系统需要的信噪比要求。
载荷使用的工况条件主要包括：目标及背景辐射特性、光学系统口径和Ｆ数、载荷光机内辐射特性、探测器工作温度、载荷与目标的相对运动特性等。这些为红外探测器的探测谱段范围、目标与背景的光通量、积分时间和噪声带宽等限定了条件。
有效像元率
无效像元主要包括盲元和闪元。盲元包括死像元（响应率过低）和过热像元（噪声过高），像元的信噪比无法满足使用要求，因此为无效像元，成因包括材料缺陷、器件工艺损伤和互连失效等，常常成簇出现。闪元主要是指响应率或暗电流随时间变化超出稳定阈值的像元，目前尚未形成统一的测试方法和判据，美国HRL实验室采用的测试方法是连续采集600帧图像，采用时间滑窗方法（每个窗口10帧）来逐一计算每个像元的输出信号标准差，如果最大标准差＞4倍的平均标准差，则该元被判定为闪元，闪元主要由像元内的低频噪声引起，造成低频噪声的因素有很多，器件的表面漏电是重要因素之一。闪元会导致像元输出在时域上的不稳定，对于点目标探测类载荷，会造成虚警，提高了图像处理的难度。
像元一致性
像元一致性指的是探测器在相同相面照度下，输出信号的一致性，这其中包括像元的响应率一致性和暗电流一致性。像元的不一致性主要由光敏元材料的缺陷和不均匀，焦平面工艺过程中的掺杂、注入、刻蚀损伤等工艺过程的不均匀造成。不一致性虽然可以通过两点法来校正，但是需要星上定标机构来辅助实现；对于数据量大或者实时性要求高的高光谱和预警应用，不一致性会给图像处理带来很大的压力，比如星上实时处理、星上数据压缩等；此外，不一致性还会降低探测器整体的有效动态范围。
航天遥感红外探测器需求类型及发展现状
尽管红外探测器技术在不断地进步，至今未能出现一款探测器能够覆盖所有的红外遥感需求，一方面因为现今遥感载荷对于红外探测器的指标需求已经接近了理论的极限，另一方面是因为红外探测器的指标是一个统筹均衡的结果，为追求某些性能，往往要牺牲部分性能，如高灵敏度与高满阱，高帧频与低噪声，大像元规模与高像元一致性等指标，在提需求时往往需要进行取舍。由于不同种类载荷关注的性能侧重点不同，航天遥感红外探测器也逐渐分化成为不同的种类。
成像探测类红外探测器
成像类载荷和探测类载荷的区别在于，前者主要是对地物成像；而后者主要实现对点目标（如导弹、飞行器和小行星等）的发现、跟踪和识别，探测背景包括地球背景和空间背景。在需求红外探测器特点上，二者共性居多，该类型红外探测器根据像元规模可分为面阵探测器和线列探测器，面阵探测器主要应用于凝视型载荷，线列探测器主要应用于扫描型载荷。在保证幅宽的前提下，随着分辨率指标的提升，对红外探测器像元规模的要求越来越大。
面阵红外探测器
在材料体系上，目前宇航应用的面阵红外探测器主要为碲镉汞和锑化铟。2008年，美国L3采用锑化铟材料体系，研制成功了4 K×4 K规模15 μm像元中心距的红外探测器；2016年，美国RVS报道其成功研制了8 cm×8 cm的碲锌镉基碲镉汞材料，还掌握了在6英寸硅衬底上通过分子束外延生长碲镉汞材料的技术，并采用该技术研制成功4 K×4 K规模20 μm像元中心距的红外探测器；同年，美国Teledyne报道其已经实现7 cm×7 cm的碲锌镉衬底的量产，且完成了8 cm×8 cm的碲锌镉基碲镉汞材料研制；2018年，法国Lynred报道将于年底完成2 K×2 K规模15 μm像元中心距的红外探测器；2018年，华北光电技术研究所公开报道其在国内首次实现了短、中波2.7 K×2.7 K规模红外探测器研制；2020年，昆明物理研究所报道其实现了2 K×2 K规模短波和中波红外探测器的研制。此外，Ⅱ类超晶格红外探测器技术显现出其在大面阵器件研制上的优势，2011年美国启动了以NASA JPL领衔的“VISTA”计划，加速推进军用Ⅱ类超晶格红外探测器的发展，项目历时5年，在美国业界形成Ⅱ类超晶格红外探测器产业联盟，研制出了一批地面、航空、宇航应用的新一代红外探测器，体现了该技术像元规模大、均匀性好、稳定性好和成本低的优势，取得了巨大的成功，美国Raytheon作为参与者推出了两款大面阵器件，分别为2 K×2 K和4 K×4 K规模10 μm像元中心距的高温工作中波红外探测器。
1990年发射的哈勃望远镜，采用的是美国Teledyne研制的1 K×1 K碲镉汞红外探测器；2021年发射的詹姆斯韦伯空间望远镜，采用了美国Teledyne的H2RG红外探测器模块；2018年，NASA向美国Teledyne定制了72个短中波H4RG-10模块，用于罗曼太空望远镜项目，研制周期29个月；2016年，我国首颗地球同步轨道高分辨率对地观测卫星高分四号正式投入使用，搭载了北京空间机电研究所研制的我国首台配置大面阵红外探测器的光学遥感载荷，相机采用了1 K×1 K中波红外探测器组件，组件由华北光电技术研究所研制，是我国百万像素红外探测器的首次宇航应用。
线列红外探测器
线列红外探测器是宇航应用中较有特色的一种探测器，主要应用于扫描（推扫、摆扫、环扫等）成像，其工作原理为在扫描过程中内通过对不同时刻的瞬时视场进行连续采样，多行图像拼接获得扫描区域的图像信息，代表应用有太阳同步轨道对地推扫成像和大椭圆轨道扫描预警应用。其关键技术主要包括时间延迟积分（TDI）和多谱段集成技术。
1）时间延迟积分（TDI）技术
TDI技术可以解决卫星在瞬时视场驻留时间不足导致的信噪比较低的问题，从而提高载荷的信噪比和扫描方向空间分辨率。德国AIM为宇航应用研制了一款中波线列红外探测器，探测谱段为3～5 μm，像元规模为1200×8，在低照度工作模式下采用CTIA输入级，7级TDI来提高探测信噪比；在高照度工作模式下采用DI输入级1元积分。
2）多谱段集成技术
多谱段集成技术通过在一个焦面上集成多个谱段的线列探测器，从而在一次探测中获得同一目标的多个谱段信息。2013年发射的美国Landsat-8卫星搭载的OLI-2陆地成像仪，其上搭载了可见短波多谱段红外探测器，探测器芯片通过在一片读出电路上互连两种不同材料像元实现，可见光探测器采用6谱段Si：PIN阵列，近红外探测器采用3谱段碲镉汞阵列；2018年发射的高分五号卫星搭载了北京空间机电研究所研制的全谱段光谱成像仪，成像仪的探测谱段范围达到0.45～12.5 μm，其中，短中波和长波红外探测器组件由华北光电技术研究所研制，采用了多谱段集成技术分别实现了短中波4谱段和长波4谱段的线列TDI探测器的集成，芯片上方安装组合滤光片以实现谱段划分，引领了我国多谱段集成红外探测技术的发展。
红外探测器拼接组件
当单片探测器的像元规模仍无法满足载荷需求时，探测器拼接是解决该问题最经济有效的手段。
面阵拼接红外探测器主要应用于空间天文望远镜，如NASA正在研制的罗曼太空望远镜，其探测器组件采用18个美国Teledyne的H4RG-10模块6×3拼接而成，像元规模超过3亿，是哈勃望远镜的300倍；2006年，美国Teledyne报道了其为MPF计划研制了一款拼接探测器组件，采用35个H2RG模块拼接而成，像元规模达到1.47亿，低温面型共面度为33.8 μm@140 K，焦面温度均匀性优于1 K。
线列拼接红外探测器主要应用于低轨高分辨率成像载荷和多光谱成像载荷，如013年发射的美国Landsat-8卫星，其搭载的OLI载荷采用的红外探测器组件由14个拼接模块拼接而成，短波红外谱段6518元，可实现185Km幅宽，30 m分辨率；2017年发射的法国Sentinel-2B卫星，其搭载的多光谱相机采用了12个短波3谱段红外探测器模块拼接，线列规模达到14550元，可实现291 Km幅宽，20 m分辨率。
部分超大规模探测器组件采用无杜瓦结构设计，这给红外探测器组件的地面测试及验证带来困难。美国Teledyne为Hawaii系列红外探测器研制的真空测试系统，可以为组件提供冷平台、电学引出和光学窗口，可支持单芯片和2×2拼接组件的测试，冷平台变温范围60～200 K，控温精度达到0.001 K；法国CEA研制的真空低温测试系统，主要应用于低背景红外探测器测试，其冷屏温度可以达到4～10 K，控温稳定度达到1.7 mK。北京空间机电研究所研制的红外探测器测试系统，最大可以支持20 K规模线列和16 K×16 K规模面阵拼接组件的测试，提供外部入射光窗和内置低温黑体，冷平台变温范围40～100 K，控温精度达到0.01 K。
光谱类器件
成像应用载荷一般具有较宽的探测谱段，通常为微米级，常见的有单光谱和多光谱探测，主要通过在探测器前设置滤光片或者滤光轮来实现谱段配置。高光谱载荷相比于成像应用的载荷，具有更高的光谱分辨率，不仅可以对目标的几何信息进行采集，还可以实现对目标的高精度定量化光谱探测，主要可以分为干涉型光谱仪、衍射型光谱仪和滤光片型光谱仪，空间高光谱载荷技术在近十年快速发展，应用领域从最初的军事国防扩展到科学研究、地质、林业、农业、大气、海洋、深空探测等多个领域。需求的红外探测器种类也逐渐增多，且个性化较强，主要有大像元宽谱段探测器和面阵高帧频探测器。
大像元宽谱段探测器
在高光谱分辨率的探测应用中，通常光谱分辨率达到几十到几百纳米，谱段的细分使得相同条件下入射光通量的降低，为保证足够的探测信噪比，需要探测器有更大的像元尺寸，从几十微米到几百微米不等；此外，还要求探测器在较宽的谱段范围（微米级）内都有较高的量子效率、线性度和像元一致性，以获得目标的宽谱段范围内的高光谱信息。
2017年发射的日本GCOM-C卫星上的红外载荷SGLI采用法国Lynred研制的红外探测器，该探测器有两个探测谱段，截止波长分别为12.5 μm和13.4 μm，谱段带宽为0.7 μm，工作温度55 K。为了达到2500和2350的信噪比，两个谱段均采用了5×5的binning来实现140×140 μm的像元尺寸，binning后每谱段各有20×2个像元。
美国的CrIS为一台傅里叶红外光谱仪，用于大气温度、水汽和气压的垂直探测，于2011年首次搭载Sumi NPP卫星发射，之后又搭载JPSS卫星的01星（2017年发射）和02星。CrIS采用了美国DRS研制的三个红外探测器组件（图4），分别为短波（3.92 ～ 4.64 μm）、中波（5.71 ～ 8.26 μm）和长波（9.13 ～15.38 μm）组件，每个探测器组件由3×3个直径850 μm左右的像元组成，在系统要求的响应谱段内均有优异的性能。
图4 CrIS采用的红外探测器模块
高帧频面阵探测器
光谱成像仪兼顾较高的光谱分辨率和几何分辨率，通常采用面阵探测器进行推扫成像，探测器阵列的两个维度分别作为几何维和光谱维。该使用方式要求探测器具有全局曝光功能，以保证一次曝光所获取的光谱信息对应同一景物；此外，还要求有足够高的帧频，满足推扫方向的成像分辨率要求。
自2000年起，为满足光谱成像仪应用，法国Lynred研制了一系列高帧频面阵器件，主要有Neptune（512×256）、Saturn（1024×256）和NGP（1024×1024），该系列红外探测器根据用户需求，探测谱段可覆盖可见近红外、短波和中波，经历了大量的宇航应用，并且有诸多背景应用产品在研。2014年12月，日本深空探测器“隼鸟2号”（HAYABUSA-2）发射升空，其搭载的红外高光谱成像仪MicrOmega采用了Nepune探测器，对近地小行星“龙宫”的表面物质成分进行探测，谱段范围0.95～3.65 μm，光谱分辨率20 cm⁻¹。
德国AIM也有相关产品报道，计划于2022年发射的德国EnMAP卫星，主要用于对农林、土壤、水体、地质和海岸带进行测量、反演和分析，可实现可见
短波谱段230个通道的光谱探测，地面分辨率达到30 m，采用了德国AIM研制的1024×256高光谱探测器，该探测器谱段范围0.9～2.5 μm，采用CTIA输入级，光谱维的256行增益独立可调（0.45 Me⁻/1.6 Me⁻），可行选读出，全幅最大帧频188 Hz。
天文探测类红外探测器
天文探测类红外探测器主要应用于太阳系外天体探测和近地小行星探测，前者主要任务为通过寻找和观测天体，理解宇宙起源，代表载荷为哈勃望远镜和詹姆斯韦伯望远镜等；后者主要为对近地威胁小行星进行探测和预警。与对地探测任务不同，该类型探测任务的特点为极弱背景下的弱目标探测，连续观测时间长，单帧积分时间达到分钟级。该类型载荷主要工作谱段覆盖从可见光到远红外，要求探测器有极高的量子效率、极低的暗电流、极低的读出噪声、极低的工作温度和极高的稳定性，此外，空间天文望远镜往往需要大面阵的拼接，对探测器的规模、有效像元率和均匀性也有较高的要求。
该类型探测器在光敏元材料体系上，主要有碲镉汞、锑化铟以及非本征硅和锗。碲镉汞的应用最为广泛，主要应用于可见光到短中波谱段的探测，主要的研制厂商为美国Raytheon、Teledyne和法国Lynred。其中，最著名的是Teledyne的Hawaii系列产品，其采用的是碲镉汞P-on-N双层平面异质结结构，其峰值量子效率达到0.9以上，H4RG-15的暗电流可以达到0.001 e⁻/s@11 K；此外，Teledyne报道其10.7 μm截止波长碲镉汞探测器暗电流可以达到0.11 e⁻/s@35 K，代表了国际领先水平。
天文探测常选用远红外谱段，目前主要采用硅掺杂和锗掺杂探测器。硅和锗可以通过掺杂来减小禁带宽度，实现远红外探测，该类型探测器必须工作在10 K以下温区，硅掺杂探测器可响应到30 μm截止波长，锗掺杂探测器可响应到500 μm截止波长附近。美国的Spizer望远镜（2003年发射）、WISE望远镜（2009年发射）均搭载了该类探测器，目前国际上的主要研制厂商为美国Raytheon、DRS和Teledyne。詹姆斯韦伯望远镜采用的是美国Raytheon研制的1024×1024 Si：AsBIB探测器，截止波长26 μm，暗电流＜0.1 e⁻/s@7.1 K。
面向天文探测应用，美国Raytheon研制了一系列InSb红外探测器，代表产品为Aladdin（1 K×1 K）和Orion（2 K×2 K）。Orion探测器应用于NGST近红外（0.6 ～5 μm）载荷，量子效率达到0.9，暗电流达到0.02 e ⁻/s@30 K。
结语
航天遥感红外探测器种类丰富、技术指标要求高，一直以来都代表着红外探测器的最高水平。未来的航天红外遥感载荷的发展趋势，一类向着更高的尖端技术继续攀登，如詹姆斯韦伯望远镜等，去探索人类未知的奥秘，继续牵引红外探测器挑战更低的背景限；另一类向着低成本商业化发展，如星链等低轨卫星网络，未来对于更低成本的红外探测器的需求将日益旺盛，Ⅱ类超晶格红外探测器等新技术也将在未来的宇航应用中发挥重要作用。
审核编辑：刘清
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原文标题：综述：航天遥感红外探测器需求与发展
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