多色红外焦平面器件的现状_发展趋势及军事应用分析

2004年5月 Infrared Technology May 2004

〈红外焦平面〉

多色红外焦平面器件的现状、发展趋势及军事应用分析*

刘武1，孙国正2

（1.北京系统工程研究所，北京 100101；2.中国兵器科学研究院，北京 100089）

摘要：红外焦平面器件在侦察预警探测、精确制导、火控、光电对抗等领域有着极为重要的军事应用。

先后论述了国外多色红外焦平面器件现状、发展趋势，并就其在军事上的应用作了几个方面的分析。

关键词：红外焦平面器件；探测器

中图分类号：TN219 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2004)03-0001-04

引言

以信息技术为核心的高新技术的迅速发展与应用，导致世界军事领域的深刻变革，联合作战成为高技术局部战争的基本样式，争夺信息优势成为高技术局部战争的焦点。而信息获取方式的先进性以及对目标识别的准确性，则成为争夺信息优势的关键手段之一。信息的获取、探测有多种方式，其中通过探测目标发出的特征电磁波达到目标探测、识别的被动式探测方式，由于其本身不发射任何特征信号，隐蔽性好等优点，在军事上得到极其广泛的应用。被动光电信息获取主要依赖于对目标自身辐射或反射光谱特征的探测，经过电子学信号处理完成对目标探测、目标识别的目的，其探测器技术上的先进性是决定将来争夺信息优势的关键因素之一。探测器技术先进性可以用三个主要特征来概括：（1）目标的多光谱特征探测能力；（2）目标的空间分布特征的高速识别能力；（3）微型化、集成化性能。

目标物体以及环境在辐射光谱上具有不同的特征，进行多光谱同时探测才能有效地、准确地实现目标特征提取。多光谱红外探测是通过探测目标物体的准确的温度信息从而实现不受环境制约的探测方式。而目标的空间分布特征的高速精确分辨，则取决于探测器列阵的规模、尺寸和工作速度。据美国陆军夜视实验室估算，如果将红外焦平面的探测像元素扩大到百万量级，则探测距离可以提高60％，目标识别率提高50％。然而，传统的多色探测分别采用独立的探测成像器件，体积、功耗大，光学系统复杂，对制冷要求高、可靠性差，而且焦平面规模扩大后，特别是多光谱输入级探测焦平面的一个严重问题是输出数据率瓶颈，因此多色探测器的微型化和集成化等成为必然要求。

1国外多色红外焦平面器件现状及发展趋势

在美国、法国和英国等发达国家，单色红外焦平面器件的技术已经基本成熟，以288×4长波和256×256中波为代表的焦平面器件已基本取代了多元光导线列通用组件。256×256元碲镉汞焦平面探测器已经装备美国AGM-130空对地导弹；320×256元碲镉汞焦平面探测器在欧洲Storm Shadow/Scalp E-G空对地巡航导弹上开始应用；256×256元InSb焦平面装备了以色列箭-2反导系统及美国标准Ⅱ-ⅣA导弹；640×512元InSb美国战区高空区域防御系统拦截弹(THAAD)；640×480元InSb热成像仪，装备F-22、V-22、F18-E/F等战机。

在上个世纪90年代中期，美国提出了发展多色焦平面列阵（MSFPAs）的概念，得到美军方的高度重视，投入大量资金开展MSFPAs技术研究，预计到2010年，新型大规模焦平面列阵MSFPAs将成为美军提高信息获取能力的主要手段之一。

在向更大规模的凝视型面阵焦平面探测器、双色探测器发展的历程中，长波器件已达到640×480元的规模，中、短波器件达到了2048×2048的规模；长线阵的扫描型焦平面因其在空间对地观测方面的需求受到了高度地重视。美国预警卫星采用了6000元的超长线列双色中、短波焦平面器件，美国大气红外深度探测仪采用了4000元长波扫描焦平面器件；法国的SPOT4卫星采用了3000元的短波扫描焦平面器件。法国Sofradir公司研制成

*收稿日期：2003-11-14

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2004年5月刘武等：多色红外焦平面器件的现状、发展趋势及军事应用分析 May 2004

了1500元长线列中长波焦平面器件。

鉴于传统的多色红外焦平面器件系统应用的复杂性，进一步发展的方向是双色和具有智能化集成功能的红外焦平面。90年代后期，美国、法国成功地发展了碲镉汞双色焦平面探测器技术、异质外延技术，并在此技术基础上，美国提出了第三代FLIR探测器系统概念。“陆军2010”以及“下一代美军”计划下的高性能红外焦平面探测系统的发展计划瞄准下一代武器系统的需求，研制高性能、高工作温度（120 K）、高速（480 Hz帧速）工作的多波段碲镉汞焦平面探测器，第三代FLIR系统具有更快的搜索速度，更高的环境识别率以及多目标识别率。与第二代SADAⅠ比较，进一步提高ID范围60％，目标识别率50％，像元规模达到1000×1000、1000×2000以及2000×2000，波段为长波单色(120 K)、短波/中波/长波双色或三色，长波单色温度分辨率NETD 提高到<10 mK, f/1 (60 mK f/2.5)；多色NETD达到<1 mK, f/2 (长波)，<5 mK, f/2 (中波)，空间非均匀性小于0.5NETD。

美、法、英等国正在开展的新一代碲镉汞材料制备技术研究具备以下特点：

1) 在碲镉汞外延技术上，致力于发展非平衡模式的碲镉汞分子束外延(MBE)，以满足碲镉汞多层结构的制备要求。美国ROCKWELL / BOEING和HRL采用分子束外延技术在碲锌镉衬底上研制的128×128双层异质结列阵红外焦平面器件，其规模和和性能均和LPE相当。美国RAYTHEON INFRARED SYSTEMS引进了多片生产型分子束外延设备进行多色焦平面探测器的碲镉汞材料制备。法国LETI/SOFRADIR、日本NEC公司致力于基于碲镉汞分子束外延技术的大规模以及多色碲镉汞焦平面器件的开发；美国ROCKHEED MARTIN使用碲镉汞MOVPE技术研制成双色碲镉汞探测器。用分子束外延制备的光敏元结阻抗已经优于用传统液相外延技术制备的器件。

2) 为了提高红外探测器性能以及长波波段的探测能力，国际上的主要途径为研究原位掺杂的碲镉汞材料以提高少数载流子寿命，抑制扩散电流的影响；研究组分异质结结构，抑制pn结隧穿电流的影响，扩展探测波段。研究多层掺杂、组分异质结结构，实现多光谱、高速碲镉汞焦平面探测。

3) 研究在Ge或Si基的碲镉汞外延技术，消除Si读出电路与碲镉汞红外敏感材料间的热失配应力，扩大焦平面器件的像元规模，获得单片集成焦平面探测器。2001年美国Raython Infrared Systems报道了实现4英寸Si基碲镉汞材料的分子束外延，材料的均匀性有了大幅度提高。

美国NVESD用MBE材料制造的64×64和128×128双层异质结列阵红外焦平面器件；1997年美国HRL 以及Lockheed Martin Vought Systems分别报道了基于掺杂型碲镉汞多层异质外延结构的双色探测器，探测波段分别为中波/中波，以及长波/中波，规模达到64×64。D*探测率分别 4.8×1011cmHz1/2/W(中波)，7.1×1010 cmHz1/2/W(长波)。

1998年美国原Hughes/SBRC实现了中波/中波128×128规模的双色焦平面探测器。

2000年Raytheon/Hughes研制了长波/长波双色焦平面器件，该器件采用分子束外延碲镉汞异质结材料，用反应离子刻蚀（RIE）技术形成光敏元，规模达到128×128，40 μm中心距，读出电路（ROIC）采0.8 μm设CMOS计规则，采用foundry加工模式，实现了同时光谱积分。

2001年美国Rockwell公司报道了128×128长波/短波、中波/中波双色焦平面器件，探测器采用分子束外延碲镉汞多层材料，单极型探测器结构。D*探测率分别6.0×1011 cmHz1/2/W(长波)，1.6×1012 cmHz1/2/W(短波)。

2000年法国Leti/LIR, 2000研制出短波/中波双色焦平面器件。DRS用“via-hole”的独特技术获得了双色探测器，法国Leti/Sofradia公司也已经获得了碲镉汞双色探测器焦平面列阵。

表1为文献中双色探测器的性能报道汇总。发展趋势是制备1000×1000元以上的双色、三色碲镉汞红外焦平面探测器，具有探测器芯片数据处理能力的灵巧型焦平面探测器。以获得更快、更高分辨率、更远探测距离的真“彩色”目标探测。

2多色红外焦平面器件的军事应用分析

先进的红外焦平面探测技术将极大地提高信息化武器装备的信息获取能力。首先，具备同时多波段的集成探测能力，焦平面列阵的探测率更高，目标识别能力和功能更强；第二，百万像素以上规模的大面阵焦平面列阵将使武器装备探测系统的探测距离更远，空间分辨率更高；第三，微型化、低成本、高可靠性和集成化的高2

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分辨率传感器，将为发展灵巧型、智能型武器提供核心器件。

表1 文献中双色探测器的性能报道汇总

Table 1 Performance of multi-color detector 参 数

MW LW 截止波长(平均值[偏差(σ/μ)])(μm)

4.27[0.5%] 10.1[2.2%] 量子效率(平均值[偏差(σ/μ)])

79%[9%] 67%[29%] 探测率(f /2.9)(平均值)(cmHz 1/2/W) 4.8×1011 7.1×1010

噪声等效温差(背景温度＝295 K ，积分时间＝2.2 ms)(平均值)(mK) 实验值：MW ：3.0～4.35 μm ，LW ：4.5～10.1 μm 期望值：MW ：3.0～4.35 μm ，LW ：7.0～10.1 μm 20 12

7.5

6.2

填充因子＝光敏面/(75 μm ×75 μm) 94% 39%

动态范围(平均值)(dB) 77 75

动态阻抗R d (平均值)(?) 4.2×108 2.3×106

R d A opt (平均值)(?cm 2) 2.4×104 51

光谱串音 LW (7～14 μm) to LW MW(4.0 μm) to LW

0.4%

－10%

2.1 战场侦察和目标识别方面

在战场使用中，相对于“目标探测”而言，“目标识别”的要求更高。红外目标探测采用单一红外探测波段，可以有效地发现目标，但由于目标辐射特征的复杂性，在有效地目标温度确定或特征识别上存在问题。在实际应用中，灰体问题、零对比度问题是制约目标识别率的重要因素。目标物体的红外发射率在波长上有不同的分布，从而造成目标辐射特征偏离黑体理论辐射曲线，导致用单一探测波段难以唯一地确定目标温度，难以提高对虚、假目标的区别能力。要有效地确定目标温度，必须在多个波段上同时对目标辐射进行探测，撇除发射率波长分散。

目标往往与环境具有相同的温度，尤其是随着红外隐身技术的不断发展，在特定波段上目标与环境背景具有相似的发射率，从而导致红外目标对比度下降，难以识别。为了提高目标的有效识别能力，必须在多波段对目标的辐射特征进行同时探测，通过比较、对比不同辐射波长下的辐射特征，提取有效的目标信号。为了降低误警率，必须采用复杂的高速信息处理系统以及使用双色红外焦平面等技术。自动目标识别就是由系统自动地对目标的类型、真假或属性等做出某种判别。在现代战争中，实时准确地识别目标，对于确定目标威胁等级、进行合理决策、提高武器效能、掌握战场主动权具有重大意义。在现代日趋复杂的战争环境中，目标种类、探测手段以及干扰种类日益增多，信息量巨大，战场形势瞬息万变，传统的自动目标识别处理技术已难以适应。尽管各军事技术发达国家在自动目标识别技术研究方面投入了大量的人力、物力、财力以及已取得了一系列重要的进展以及令人瞩目的成果，但由于种种原因，从真正意义及普遍意义上讲的自动目标识别的实现、特别是实时实现仍然存在严重的困难，并没有得到得心应手的解决。所遇到的主要困难除目标辐射特性问题以及在不同作战环境等十分繁多因素影响下的背景的不同辐射条件的不确定性因素以外，还包括有效地完成探测以及实现多信息的有效融合。

2.2 精确制导武器系统方面

为了反红外对抗技术，制导技术必须向高速、双色制导方面发展。传统的红外制导导弹所用的红外探测器主要是单元和线列探测器，相比较而言，作用距离近，抗干扰能力弱。为了进一步提高导弹的作用距离，同时适应全天候作战条件，红外探测器需采用双色焦平面探测器。如果采用两种不同的波段焦平面探测器，使用双光轴系统组合成双色制导，将由于受弹上体积、空间、位置及弹上处理能力的限制而无法实现。而集成式红外焦平面探测器的双色、共光轴、片上智能化数据处理及图像融合技术很好地解决了这一问题。使用多色红外焦平面探测器的凝视成像技术，它所探测到的目标是一个图像不仅是一个点,而且还包含目标的空间信息和光谱信息，这样就大大提高了识别真假目标的能力；它所使用的探测器是红外焦平面阵列而不是单个器件，这样就大大提高了导引头的灵敏度和探测距离；导弹可以从任何角度接收目标的红外辐射而不必只是跟踪目标发动机尾

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焰，这样就提高了导弹截获目标可靠性、分辨力和全向攻击能力；由于红外焦平面阵列是靠探测目标和背景间的微小温差而形成热分布图来识别目标的，即使在夜间也能照常工作，这样就提高了导引头的全天候工作能力；将红外焦平面阵列与有执行、判断和决策功能的微处理机等做成一体，这样就可以使制导系统有一定思维能力，在复杂背景和强干扰情况下准确地辨别目标。

总之，利用多色红外焦平面阵列进行成像制导，使导引头灵敏度更高，探测距离更远，瞬时视场和跟踪场更大，对目标的识别能力和抗干扰能力更高。如果再配置弹载计算机和智能神经网络，就可以使制导系统具有软件编程的灵活性，能选择目标上的要害部位进行攻击。

2.3光电防卫以及战略预警、反导拦截的发展需求

在导弹逼近预警中，目前普遍应用的中波焦平面器件容易受到植物或海面的阳光反射的影响，误警率高。太阳等效为一个5900 K的辐射源，即使是经过反射后也能提供一个明亮的信号。另外，系统实际上很难区别在系统旁的一只飞鸟和远处的热导弹经大气衰减后的红外特征信号。目标背景中的干扰信号存在同样问题，需要系统的花费时间的解析运算。采用中波双色焦平面探测方案，光谱信息可以用来有效地区分阳光反射、背景飞鸟和导弹信号。比如，在4.2 μm CO2吸收谱线两侧的光谱范围（4.4～5.0 μm / 3.4～4.0 μm），通过计算两侧光谱的积分比例，可以清楚地分辨出阳光反射。阳光反射信号在4.4～5.0 μm具有较高的辐射，故较低的积分比，而逼近室温的目标不会显示低的积分比。背景信号以及飞鸟等信号的积分比在4～14范围，而导弹羽焰则大的多，远远大于14，所以，采用双色积分比可以清楚地将导弹从背景以及阳光反射中区分出来。

多色红外焦平面探测器技术的发展对预警技术将起着积极的推动作用，并为弹道导弹防御提供新的技术基础，为弹道导弹预警装置发展提供新的手段。多色红外焦平面探测器技术用于不同的平台，可以建立一个在预警卫星、预警飞机和地面系统的基础上构成一个完整的红外和光学系统的导弹监视网。由于要满足全程预警的需求，必须面对不同的大气条件以及导弹的自身隐身手段，因此多色红外焦平面探测器技术的应用将是实现这一目标的基础。多色红外焦平面探测器将对弹道导弹从助推段开始探测。弹道导弹的速度越高，红外尾焰炽热的“目标”越大，温度也越高。在海平面上射程1000 km的导弹，尾焰长度一般在200 m以上，而且随着导弹飞行高度的增加而增加，在真空时其红外尾焰长度可达300 m以上。当多色红外焦平面探测器处于地球同步轨道的相对静止状态，每个探测阵元负责对所覆盖地球上的一个地区实施24 h监视。导弹发射后，可根据其飞行经过的地区所对应不同位置的探测阵元的反应，计算出导弹的轨迹和速度。若只是某个探测阵元有反应，说明导弹是一种固定的红外辐射源。这种多色探测器阵列克服了可能出现虚警的缺陷，从而使远程探测、发现并跟踪卫星、大气层中的弹道导弹、巡航导弹、海上舰艇以及战场上的“热目标”的侦察监视系统成为可能。尤其当多色红外焦平面探测器采用短波红外与长波红外组合时，它对导弹发动机尾焰波长2～7 ìm的红外辐射极其敏感。

当多色红外焦平面探测器处于低轨道卫星时，用于捕获导弹发动机的红外尾焰，对导弹进行跟踪，区分再入飞行器和诱饵，为地基拦截导弹提供相关数据和超视距制导，增加拦截导弹的防御区域。由于多色红外焦平面探测器的轻量化，可以装备低成本的低轨道卫星，低轨道卫星在多个轨道面上成对工作，以提供立体探测和监视。卫星上可以装载不同视场及不同光谱（中波、中长波、长波红外）多色红外焦平面探测器。传感器按先地平线以下、后地平线以上的顺序进行扫描探测。

配合战略预警系统，还可以发展新一代的基于多色红外焦平面探测器技术的直接碰撞动能拦截器。所谓动能拦截器通常是指新一代高层拦截防空导弹的末级。国外在研的新一代具有反导能力的防空导弹大都采用KI 技术，而且主要采用红外成像探测技术，包括中波(3～5 μm)、长波(8～12 μm)以及中、长波复合探测技术。例如，美国战区高空区域防御(THAAD)系统导引头采用中波红外寻的器，而大气层外动能杀伤拦截器则采用长波红外寻的器，在大气层内外拦截器(E2I)采用中波与长波红外复合导引头。

在导弹告警、目标识别等需求的趋势下，美国“先进防御计划”(DARPA)，“弹道导弹防御计划”(BMD)等已将双色焦平面的研制提高到重要地位。如空基导弹告警系统特别需要相对人为或自然界干扰信号小的双色碲镉汞凝视型焦平面器件，以提高战场环境下的目标识别性能，降低系统复杂性。空间导弹预警卫星也将开发长线列双色焦平面作为主要关键技术。

（下转第10页）4

2004年5月徐田华等：基于图像分割和配准的红外焦平面阵列非均匀校正算法 May 2004

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Image Segmentation and Registration-Based Algorithm for Nonuniformity Correction of Infrared Focal Plane Arrays

XU Tian-hua，ZHANG Xiao-jun，ZHAO Yi-gong

(Institute of Pattern Recognition and Intelligent Control, School of Electronic Engineering, Xidian University,Xi’an, Shanxi 710071, China)

Abstract: There are a lot of infrared image sequences consisting of slowly moving background and point object with relative motion t in the field of target imaging, tracing and navigation, but the traditional scene-based algorithm for nonuniformity correction (NUC) of infrared focal planes arrays (IRFPA) had difficulty in solving these types of images. In the paper, a image segmentation and registration-based algorithm (S-R algorithm) had been proposed. Through separating the background and the point object, the former was corrected by the registration-based algorithm and the error fixed-pattern noise (FPN) parameters in the point object was compensated. So the FPN in the IRPFA was estimated completely and the NUC was solved efficiently. S-R algorithm has the advantage of accurate estimation of FPN, fast convergence rate and low computational complexity. At the end the conclusions were verified by the simulation data.

Key words: image segmention and registration，infrared focal plane arrays，nonuniformity correction，fixed pattern noise (FPN)

（上接第4页）

1995美国开始了导弹防御-先进探测器技术计划(ASTP)，该计划由弹道导弹防御办公室管理，联合陆军、海军、空军进行先进探测器的研发、演示，该计划的目的是发展2000年后由于探测、跟踪、识别和拦截弹道导弹的传感器，空军负责发展被动式探测器技术。被动式传感器技术中的关键技术为多色焦平面列阵技术，具备同时在二个以上红外波段的探测能力，简化侦查、拦截系统目标寻的器的设计，实现具有高灵敏度、高分辨能力、更加可靠、更加轻量化、更加低成本的探测器。发展灵巧型焦平面技术，实现芯片内或近芯片的信号预处理，加快信号处理速度；研究实时数据融合算法，实现数据融合，为多目标跟踪、侦查和探测器优化技术。2000年美国开始了联合战区导弹防御计划，提出发展可以同时探测的长波多色大规模焦平面探测器以及图像融合技术，研究高确信度的真实弹头和其他物体的拦截目标识别技术的拦截识别技术研究计划。

致谢：感谢何力研究员、杨定江研究员和倪国强教授的资料支持。

作者简介：刘武，男，1963年7月生，北京系统工程研究所副研究员，长期从事国防系统分析的研究工作。

The Status Quo, Developments and Military Application Analysis

of the Multi-color IR Focal Plane Arrays

LIU Wu1，SUN Guo-zheng2

（1. Beijing Institute of System Engineering，Beijing，100101，China；

2. The National Weaponry Science Institute of China，Beijing，100089，China）

Abstract: The IR focal plane arrays (IRFPA) can be put into many military applications such as battle-field surveillance and reconnaissance, early warning system, precision guidance system, fire-control system and photoelectric countermeasure. In this paper the status quo and future developments of the overseas multi-color IRFPA has been described. The analysis has also been carried out as far as their military applications are concerned.

Key words: IRFPA, detector