[科普中国]-多元探测器

简介定义

多元探侧器又称多元红外探测器，由多个单元红外探测器按一定规则排列而成的线列或面阵器件，是一种新型的探测器，探测器接收到经过衰减的红外信号，经过放大、滤波后判定视场中是否存在目标。有时也称为多元阵列器件。多元探测器可由光电导探测器或光伏探测器组成，也可以由热释电型探测器组成，主要用于红外成像系统。改进其信号处理方法，可以提高探侧器的探侧距离，使得导弹可以在更远距离上发现目标。但在远距离上，探测器接受到的信号很弱，如何在保持低虚普率的条件下，提高红外系统的发现概率是一个急需解决的间题。可采用多元探侧器的导引头信号处理方法，提高其在中远距离上对目标的检测性能。1

优点随着红外技术应用的扩大，以及抗干扰能力的增强，对多元阵列的要求也越加迫切。它除去能使红外装置减轻重量，缩小体积，提高可靠性等优点外，主要还有如下特点:

1.视场大，可提高探测精度，提高信噪比

目前为了提高探测目标的探测能力，通常使用几个乃至成百个多元探测器阵列来代替单个器件。它与简单的光学扫描技术相结合，比单个器件能提供较高的灵敏度和较大的视场范围。过去，为了扩大视场，探测器要使用大量的设备或者要提高转换率，方能提高器件的信噪比，现在用多元阵列连续探测一个较宽的视场，一方面可提高大视场单个探测器的信噪比，同时又可不用复杂的机械扫描，省去很多设备。与探测同样大小视场的单个器件相比，探测灵敏度提高杯√N(N为元件数)，即信噪比与探测元件数的平方根成正比。

2.动态范围大，可进行多目标跟踪

多元镶嵌器件在整个使用波长具有较高的灵敏度，能跟踪多目标，动态范围大。由几个元件组成的线性阵列可改进探测精度及抑制干扰源等能力，两维镶嵌阵列能进行边跟踪、边扫描，可在跟踪多目标的同时，连续搜索其它目标。这种不用扫描的传感装置具有1，000个PbS探测器阵列和紧凑的微型电路。据称，这种装置有可能用在美帝647预警卫星上。

3.可提高抑制背景的能力

对遥远的目标来说，探测器在光学系统视场内，从背景接收的辐射显著超过从目标接收的辐射，但目标是一个点辐射源，所以有可能用多元阵列来区别背景辐射。多元阵列装置可提高信噪比并在瞬时视场内准确提高目标位置。

4.提高帧速率，扩大作用距离，不用机械扫描

过去用单个元件要在水平和垂直方向扫描，需用复杂的棱镜，而且得不到帧速率、分辨率和灵敏度很高的图象。单个系统在阴极射线管上显示的速度仅16帧/秒，现用10个77°KInsb线性阵列，只要在水平方向机械扫描12次，就可得到120条线图象，扫描速率达47帧/秒，能分辨小于0.2°C的温差目标。

过去热成象用单个元件进行两维机械扫描，需半分钟才建立图形，角分辨率为1.7毫弧度，噪声等效温度为0.1°C，现用128个元件组成一维阵列，用一维机械扫描，整个图形在一秒钟内建立，由100线组成，角分辨率为2毫弧度，噪声等效温度为1°C。制成单片热电器件阵列的热成象系统，能使可见光、红外辐射和X射线成象，成象速率为30帧/秒，原用5x5个元件，现正设计2500个点元件的大规模器件。目前的前视红外系统探测阵列有几百个元件组成，以后发展将有上千个或更多的探测元件，这将增大信息速率，扩大系统的作用距离，并改进角视场。据报导，现已能获得46公里的远距成象。由于军用要求灵敏度高、设备简单、可靠，尽量不用复杂的机械扫描，现用一维阵列一维机械扫描。若用两维多元阵列，两维取样，就可省去机械扫描。2

研究意义近年来，国外很重视多元阵列的研制，其原因是:

1)红外系统的发展，它要求更灵敏和能集中大量目标数据和提高信息接收速率，并要求系统尺寸小、重量轻、可靠性高及功率损耗小，这用单个元件是很难达到的。因此，国外从六十年代初期就着手研制多元器件。目前在红外多目标搜索、跟踪、制导和成象及卫星地平仪等方面都已见应用；

2)多元探测器阵列的制造表明了探测器材料和工艺发展到一个新的水平，也可以说是工艺和结构上的一次变革。虽然目前单个元件的水平很高，但不适应于当前系统要求均匀的高密度排列，而多元阵列却可满足这一要求。元件体积缩小、密度提高、焊点减少、互连引线缩短，使可靠性、开关速度大大改善，实现了材料、元件和电路三位一体。目前在红外器件中已应用光刻技术和蒸发工艺。

今后，红外器件的发展是使传感器这一级具有更多的功能。最好是将器件阵列、冷却、放大、开关、信号处理、光谱滤波等都合并到传感器这一级上。2

加工工艺多元探测器阵列在应用上的特点固然很多，但它的制备工艺却比单个器件复杂得多，如引线焊接，电路互连，元件致冷等等，这就要求与微电子技术相结合。

早期多元阵列是用机械方法划分，近年已逐步采用微型电路、外延和光刻法制作。线列一般达几百元件，镶嵌阵列到上千个，可达1万到10万个器件，在每排阵列中有100到1，000个元件。

为了保证多元阵列可靠，首先必须保证单个元件的质量，这就需要预先进行足够的试验。对元件的要求:1)对于角分辨率高的系统，元件尺寸要小；2)空间要求装配密度要高；3)背景辐射(300°K黑体辐射)探测度和响应要好；4)元件一致性、稳定性好；5)有足够的频率响应；6)低频时的噪声要低。2

信号特点和噪声特点红外系统为了探侧目标，需要对目标辐射能进行调制，即把红外系统接收到的红外辐射能转换成随时间变化的断续的辐射能，并使断续的辐射能的某些特征随着目标信息的变化而变化。红外辐射的像点扫过焦平面上的光敏电阻时，光敏电阻会产生电脉冲。这个脉冲与相应通道的基准信号相比较，就可得出失准角在该通道上的分量。辐射源可分为点辐射源和面辐射源。不同的辐射源经过光学系统后，在探测器焦平面上形成的像点不同，光敏电阻产生的电脉冲形状也不同。其中点状目标信号的波形如图。

红外探测器对目标信息进行探测时，总存在各种干扰，包括外部的背景辐射干扰和内部的噪声干扰。

这里定义的噪声是指与入射目标辐射信号不相关的电压或电流输出。因此外部的背景辐射干扰也看作是一种噪声，背景辐射主要指空中能辐射红外线的自然辐射源，例如太阳、大气和云团等。内部噪声主要有：热噪声、散粒噪声、产生—复合噪声和1/f噪声等。

多元探测器存在三种形式的噪声:

(1)白噪声，主要由热噪声、散粒噪声、产生—复合噪声组成。

(2)分形噪声，即1/f噪声

(3)背景噪声1

热噪声不论是金属、半导体或其它材料组成的电阻, 由于材料内部的热运动, 导致电阻载流子运动的起伏, 由此产生的噪声称为热噪声。多元探测器通常采用光敏电阻, 因此也会产生热噪声。热噪声的公式首先由琼生和奈奎斯特导出, 常称奈奎斯特定理。

散粒噪声它是由探测器响应元中的自由电子和空穴通过p-n 节的不连续形形成的。散粒噪声谱的表达式为式中:I 为通过p-n 节的直流电流;e 为电子电荷。由散粒噪声谱的表达式可知, 其频谱与频率无关,所以也是白噪声。

产生-复合噪声半导体内载流子的产生和复合都是随机过程, 各处的载流子浓度以及整个器件的载流子数均围绕其平均值有起伏存在。器件中的载流子浓度及数量的起伏导致其电导率的起伏, 但该半导体器件外加偏压后, 必引起器件内电流及电压也存在起伏, 此即产生-复合噪声。

1/ f 噪声在各类电子器件中, 几乎均发现了与频率有关的另一类噪声。在低频范围内, 该噪声常成为器件的主要噪声。它的产生普遍认为与器件的结构工艺有关。噪声谱为：

其中：Ad为探测器面积(cm2);f为频率;I为电流强度;R为电阻。

背景噪声空中自然辐射源的红外辐射经光学系统后，投射在探测器上，引发与目标辐射不相关的干扰输出。试验和资料表明，背景噪声可简化为频率大约等于探测器基准信号频率的余弦信号。3

多元探测器阵红外导弹调幅制导弹在消除大面积背景干扰方面是成功的，但对于红外干扰的调制辐射源干扰抗却无能为力。可以证明，当出现这种干扰时，不论目标视线角速度如何变化，陀螺皆以最大力矩Mo向某一固定方向(非目标方位)送动，从而导致导弹以最大力矩脱靶。而用多元探测器阵列取代红外导弹调制盘，形成调频制跟踪指令，因而采用这种技术的导弹，除具有原来的优点外，还能完消除红外干扰机的调制辐射源干扰。

用多元探测器阵列制成的红外导弹系统，有类似调制盘的功能，它的信息传递方式如图。

它除信号解调过程外，其余与调幅过程。它借助扫描对光能进行调制，同时它还有如下特点：(1)实现全波调制，消除了调制盘仅约50%的效率问题(2)把探测器单元进行一定的连接可消除大块背景干扰。

探测器阵列—般作成线列或矩阵式。下面以简单的“十”字形红外探测器阵列，来说明其工作原理。如图所示，在光学扫描系统的焦平面上依次成90°放置着四个红外光敏元件，当目标位于光轴上时，扫描圆心与“十”字形中心重合，象点以对等方式穿过四个光敏元件，产生如图所示的同周期的四个脉冲。适当连接线路使0°、180°和90°、270°元件分别组成的通道都输出零直流电压；当日标编离光轴时，扫描圆与探测器阵列不同心，产生如图所示的脉冲信号，再把它和两路基准信号相比较，就可获得直角座标系中的两个电压分量，其大小反映目标俯离光轴的程度，极性表明偏离的方向，至此，它就象调幅式调制盘一样产生了决定目标位置的信息，只是信息的表达式不同。

红外多元探测器应用于红外导弹使之具有了良好的空曲滤波特性，借助多路传输系统和计算机处理可实现跟踪目标的能力。随着科学技术的发展，多元探测器必有更加广阔的发展前景。4