目前红表技术作为一种高技术
，它与激光技术并驾齐驱
，在军事上占有举足轻沉的职位。红表成像、红表窥伺、红表跟踪、红表造导、红表预警、红表匹敌等在现代和未来战争中都是很沉要的战术和战术伎俩。在70年代以来
，军事红表技术又逐步向民用部门转化。红表加热和干燥技术宽泛利用于工业、农业、医学、交通等各个行业和部门。红表测温、红表测湿、红表理疗、红表检测、红表报警、红表遥赣注红表防伪更是各行业争相选用的先进技术。标志红表技术最新成就的红表热成像技术
，它与雷达、电视一路组成现代三大传感系统
，尤其是焦平面列阵技术的选取
，将使它发展成可与眼睛相媲美的凝视系统。

　　1672 年
，牛顿使用分光棱镜把太阳光(白光)分化为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色单色光
，证实了太阳光(白光)是由各类色彩的规复合而成。1800年
，英国物理学家F. W. 赫胥尔从热的概想来钻研各类色光时
，无意发现放在光带红光表的一支温度计
，比其他色光温度的批示数值高。经过反复试验
，这个所谓热量最多的高温区
，总是位于光带最边缘处红光的名义。因而他颁发:太阳发出的辐射中除可见光线表
，还有一种人眼看不见的“热线”
，这种看不见的“热线”位于红色光表侧
，叫做红表线。这种红表线
，又称红表辐射
，是指波长为0.78～1000μm的电磁波。其中波长为0.78 ～1.5μm 的部门称为近红表
，波长为1.5 ～10μm的部门称为中红表
，波长为10～1000μm的部门称为远红表线。而波长为2.0 ～1000μm的部门
，也称为热红表线。

　　红表线是太阳光线中多多不私见光线中的一种
，是天然界存在的一种最为宽泛的电磁波辐射
，它在电磁波陆续频谱中的地位是处于无线电波与可见光之间的区域。这种红表线辐射是
，基于任何物体在通例环境下城市产生自身的分子和原子无规定的活动
，并一向地辐射出热红表能量。分子和原子的活动愈剧烈
，辐射的能量愈大;反之
，辐射的能量愈幼。

　　红表线个性

　　红表线拥有热效应：生物体中的偶极子和自由电荷在电磁场的作用下
，有按电磁场方向分列的趋向。在此过程中
，引发分子
，原子无规定活动加剧而产生热。当红表辐射有足够强度时
，即超过了生物体的散热能力
，就会使被照射机体部门温度升高
，这是红表线的热效应。

　　理论分析和尝试钻研批注
，不仅太阳光中有红表线
，并且任何温度高与绝对零度的物体(如人体等)都在一向地辐射红表线。就是冰和雪
，由于它们的温度也源源高与绝对零度
，所以也在不休的辐射红表线。因而
，红表线的最大特点是普遍存在于天然界中。也就是说
，任何“热”的物体固然不发光但都能辐射红表线。因而红表线又称为热辐射线简称热辐射。

　　红表线和可见光相比的另一个特点是
，色彩丰硕多样
，。由于可见光的最长波长是最短波长的1倍 (780nm～380nm)
，所以也叫作一个倍频程。而红表线的最长波长是最短波长的10倍
，即拥有10个倍频程。因而,若是可见光能阐发为7种色彩
，则红表线便可能阐发70种色彩
，显示了丰硕的色彩。

　　红表线是一种电磁辐射
，拥有与可见光类似的个性
，遵从反射和折射定律
，也有过问、衍射和偏振等景象;同时
，它又拥有粒子性
，即它能够光量子的大局发射和吸收。此表
，红表线还有一些与可见光不一样的独有个性:

　　(1) 红表线对人的眼睛不敏感
，所以必须用对红表线敏感的红表探测器能力接管到;

　　(2) 红表线的光量子能量比可见光的幼
，例如10μm波长的红表光子的能量约莫是可见光光子能量的1/20;

　　(3) 红表线的热效应比可见光要强得多;

　　(4) 红表线更易被物质所吸收
，但对于薄雾来说
，长波红表线更容易通过。

　　红表技术的发展

　　19世纪：钻研天文星体的红表辐射
，利用红表光谱进行物质分析。20世纪：红表技术首先受到军事部门的关注
，由于它提供了在阴郁中观察、探测军事指标自身辐射及进行保密通讯的可能性。

　　第一次世界大战期间研造了一些尝试性红表装置
，如信号闪动器、搜索装置等。第二次世界大战前夕
，德国：红表显像管; 战争期间：德国
，美国：红表辐射源、窄带滤光片、红表探测器、红表望远镜、测辐射热计等。

　　第二次世界大战后：前苏联。50年代以来
，美国：响尾蛇导弹上的寻的器造导装置和u—2间谍飞机上的红表拍照机代表着其时军用红表技术的水平。前视红表装置 (FLIR)获得了军界的器沉
，并宽泛使用：机载前视红表装置能在1500m上空探测到人、幼型车辆和荫蔽指标
，在20000 m高空能分辨出汽车
，出格是能探测水下40m深处的潜艇。

　　在海湾战争中
，红表技术
，出格是热成像技术在军事上的作用和威力得到充分显示。

　　红表探测技术

　　2.1 红表探测器

　　2.1.1 物理学的进展与红表探测器

　　红表辐射与物质(资料)相互作用产生各类效应。100多年来
，从经典物理到20世纪开创的近代物理
，出格是量子力学、半导体物理等学科的缔造
，到现代的介观物理、低维结构物理等等
，有很多并且越来越多可用于红表探测的物理景象和效应。

　　2.1.1.1热探测器：

　　热辐射引起资料温度变动产生可怀抱的输出。有多种热效应可用于红表探测器。

　　(1)热胀冷缩效应的液态的水银温度计、气态的高莱池(Golay cell);

　　(2)温差电(Seebeck)效应？勺龀扇鹊缗己腿鹊缍
，重要用于丈量仪器。

　　(3)共振频率对温度的敏感可造作石英共振器非致冷红表成像阵列。

　　(4) 资料的电阻或介电常数的热敏效应--辐射引起温升扭转资料电阻用以探测热辐射- 测辐射热计(Bolometer)：半导体有高的温度系数而利用最多
，常称 " 热敏电阻"。利用转变温度左近电阻巨变的超导探测器引起器沉。若是室温度超导成为现实
，将是21世纪最引人瞩主张探测器。

　　(5)热释电效应：急剧温度变动使晶体自觉极化强度扭转
，表表电荷产生变动
，可作成热释电探测器。 热探测器通常不需致冷( 超导之表 )而易于使用、守护
，靠得住性好;光谱响应与波长无关
，为无选择性探测器;造备工艺相对简易
，成本较低。但活络度低
，响应速度慢。热探测器机能限度的重要成分是热绝缘的设计问题。

　　2.1.1.2光电探测器：

　　红表辐射光子在半导体资猜中引发非平衡载流子(电子或空穴)
，引起电学机能变动。由于载流子不逸出体表
，所以称内光电效应。量子光电效应活络度高
，响应速度比热探测器快得多
，是选择性探测器。为了达到最佳机能
，通常都必要在低温下工作。光电探测器可分为：

　　(1) 光导型：又称光敏电阻。入射光子引发均匀半导体中的价带电子越过禁带进入导带并在价带留下空穴
，引起电导增长
，为本征光电导。从禁带中的杂质能级也可引发光生载流子进入导带或价带
，为杂质光电导。截止波长由杂质电离能决定。量子效能低于本征光导
，并且要求更低的工作温度。

　　(2)光伏型：重要是p-n结的光生伏特效应。能量大于禁带宽度的红表光子在结区及其左近引发电子空穴对。存在的结电场使空穴进入p区
，电子进入 n 区
，两部门出现电位差。表电路就有电压或电流信号。与光导探测器比力
，光伏探测器背影限探测率大于40%;不必要表加偏置电场和负载电阻
，不亏损功率
，有高的阻抗。这些个性给造备和使用焦平面阵列带来很大益处。

　　(3)光发射-Schottky势垒探测器：金属和半导体接触
，典型的有 PtSi/Si结构
，形成Schott ky势垒
，红表光子透过Si层为PtSi吸收
，电子获得能量跃上 Fermi能级
，留下空穴越过势垒进入Si衬底
，PtSi层的电子被网络
，实现红表探测。充分利用Si集成技术
，便于造作
，拥有成本低、均匀性好蹬着势
，可做成大规模(1024×1024甚至更大)焦平面阵列来添补量子效能低的缺点。有严格的低温要求。用这类探测器
，国内表已出产出拥有像质优良的热像仪。 Pt Si/Si结构FPA是最早造成的IRFPA。

　　(4)量子阱探测器(QWIP)：将两种半导体资料A和B用人为步骤薄层交替成长形成超晶格
，在其界面
，能带有突变。电子和空穴被限度在低势能阱A层内
，能量量子化
，称为量子阱。利用量子阱中能级电子跃迁道理能够做红表探测器。90年代以来发展很快
，已有512×512、64 0×480规模的QWIP GaAs/AlGaAs焦平面造成相应的热像仪诞生。由于入射辐射中只有垂直于超晶格成长面的电极化矢量起作用
，光子利用率低;量子阱中基态电子浓度受掺杂限度
，量子效能不高;响应光谱区窄;低温要求刻薄。人们正深刻钻研致力加以改进
，可望与碲镉汞探测器一争凹凸。

　　2.1.2新技术飞速发展推进红表探测器更新换代

　　60 年代以前多为单元探测器扫描成像
，但活络度低
，二维扫描系统结构复杂笨沉。增长探测元
，例如有N元组成的探测器
，活络度增长N1/2倍
，一个M×N阵列
，活络度增长(M×N)1/2倍。元数增长还将简化光机扫描机构
，大规模凝视焦平面阵列
，不再必要光机扫描
，大大简化整机系统。现代探测器技术进入第二、第三代
，沉要标志之一就是元数大大增长。另一方面是开发同时覆盖两个波段以上的双色和多光谱探测器。所有进展都离不开新技术出格是半导体技术的开发和进取。几项拥有里程碑意思的技术有：

　　(1)半导体精密光刻技术 使探测器技术由单元向多元线列探测器迅速发展
，即后来称为第一代探测器。

　　(2)Si集成电路技术 Si读出电路与光敏元大面阵耦合
，诞生了所谓第二代的大规模红表焦平面阵列探测器 。更进一步有Z平面和灵巧型智能探测器等新种类。此项技术还诱导产生非造冷焦平面阵列 
，使一度萧瑟的热探测器沉现勃勃朝气。

　　(3)先进的薄层资料成长技术 分子束表延、金属有机化学汽相淀积和液相表延等技术可沉复、精密节造成长大面积高度均匀资料
，使造备大规模红表焦平面阵列成为可能。也是量子阱探测器出现的前提。

　　(4)微型造冷技术 高机能探测器低温要求驱动微型造冷机的开发
，造冷技术又推进了探测器的研造和利用。

　　我国红表探测器研造从1958年起头
，至今已40多年。先后研造过PbS、PbSe、Ge:Au、Ge:Hg 、InSb、PbSnTe、HgCdTe、PtSi/Si、GaAs/AlGaAs量子阱和热释电探测器等。 随着低维资料出现
，纳米电子学、光电一体化等技术一日千里
，21世纪红表探测器必有革命性的进展。物理学及资料科学是现代技术发展的重要基础
，现代技术飞速发展对物理学钻研 又有巨大的反作用。

　　4、高机能红表探测器-碲镉汞探测器

　　1959年
，英国Lawson等首先造成可变带隙Hg1-xCdxTe固溶体合金
，提供了红表探测器设计空前的自由度。

　　碲镉汞有三大优势：

　　1)本征引发、高的吸收系数和高的量子效能(可超过80%)且有高的探测率;

　　2)其最吸引人的个性是扭转Hg、Cd配比调节响应波段
，能够工作在各个红表光谱区段并获得最佳机能。并且晶格参数险些恒定不变
，对造备复合禁带异质布局造新器件出格沉要

　　3)同样的响应波段
，工作温度较高
，可工作的温度领域也较宽。

　　碲镉汞中
，弱Hg-Te键(比Cd-Te键弱约30%)
，可通过热处置或特定蹊径形成P或N型
，并可实现转型。其电学性质如1载流子浓度低
，2少数载流子寿命长
，3电子空穴有效质量比大(～10.0)
，电子迁徙率高
，4介电常数幼蹬仔利于探测器机能。

　　第一代碲镉汞探测器重要是多元光导型
，美国选取60、120和180元光导探测器作为热像仪通用组件
，英国则以70年代中期开发的SPRITE为通用组件。 SPRITE是一种三电极光导器件
，利用半导体中非平衡载流子扫出效应
，当光点扫描速杜纂载流子双极漂移速度匹配
，使探测器在实现辐射探测的同时实现信号的功夫延长积分职能。8条SPRIET的机能可相当100元以上的多元探测器。结构、造备工艺和后续电子学大大简化。现有技术又克服了高光机扫描速度和空间分辨率受限度等两个缺点。

　　1992年诞生了第一台国产化通用组件高机能热像仪
，SPRITE探测器研造成功是关键。到90年代初
，第一代碲镉汞光导探测器纷纷实现技术鉴定
，机能达到世界先进水平。

　　刀兵工业211所的SPRITE、32和60元探测器已实用化并投入批量出产
，规模和市场不休扩大。国表在80年代就已大批量出产。由于电极、杜瓦瓶设计和造冷机方面的沉沉难题
，第一代碲镉汞探测器元数通常无法超过200。大的碲镉汞光敏阵列和Si读出集成电路别离造备并最佳化
，而后两者进行电学耦合和机械联结形成混合式焦平面阵列
，就是第二代碲镉汞探测器。

　　目前国际上已研造出256×256甚至640×480规模的长波IRFPA。中波红表已有效于天文的1024×1024的规模
，现阶段典型产品是法国的4N系列288×4扫描式FPA。国内仍处于研造开发阶段。晶体碲镉汞资料也有鲜明的弱势：

　　1)相图液线和固线分离大
，分凝引起径向、纵向组分不均匀;

　　2)高Hg压使大直径晶体成长难题
，晶格结构齐全性差;

　　3)沉复出产制品率低。薄膜资料的难题在于难以获得梦想的CdZnTe衬底资料。

　　人们致力于钻研代替衬底
，如PACE(Producible Alternative to CdTe for Epitaxy )- I ( HgCdTe / CdTe/ 宝石)
，PACE-II(HgCdTe/C dTe/GaAs)和PACE-III(HgCdTe/CdTe/Si)。日本和法国还报路Ge衬底
，指标是与MCT的晶格 匹配并有利于与Si读出线路的耦合。 优质碲镉汞资料造备难题、均匀性差、器件工艺特殊
，制品率低
，因而成本高一向是困扰碲镉汞IRFPA的重要阻碍。人们始终没有烧毁寻找资料的致力
，但迄今还没有一种新资料能超过碲镉汞的根基利益。为满足军事利用更高的机能要求
，碲镉汞FPA依然是首选探测器。

　　5、非致冷焦平面阵列 (UFPA)红表探测器

　　非造冷焦平面阵列省去了昂贵的低温造冷系统和复杂的扫描装置
，敏感器件以热探测器为主。突破了从来热像仪成本高昂的阻碍
，"使传感器领域产生刷新"。另表
，它的靠得住性也大大提高、守护单一、工作寿命耽搁
，由于低温造冷系统和复杂扫描装置时时是红表系统的故障源。非致冷探测器的活络度(D)比低温碲镉汞要幼1 个量级以上
，但是以大的焦平面阵列来添补
，便可和第一代MCT探测器争雄。对很多利用
，出格是监督与夜视而言已经足够。辽阔的准军事和民用市场更是它施展拳脚的领域。为预防大量投资
，把硅集成电路工艺引入低成本、非造冷红表探测器开发出产
，造作大型高密度阵列和推动系统集成化的信号处置
，即大规模焦平面阵列技术
，潜力极度巨大。正由于如此
，单元机能较低的热电探测器又沉新引人瞩目
，并且可能成为21世纪最具竞争力的探测器之一。目前发展最快、远景看好的有两类UFPA：

　　(1)热释电FPA。热释电探测器的钻研早在60年代和70年代就颇为流行
，有过多种资料
，较新型的有钛酸锶钡(BST)陶瓷和钛酸钪铅(PST)等。美国TI公司推出的328×240钛酸锶钡(BST)FPA已形成产品
，NETD优于0.1K
，有多种利用。打算中还有 640×480的FPA
，发展趋向是将铁电资料薄膜淀积于硅片上
，造成单片式热释电焦平面
，有很高的潜在机能
，可望实现1000×1000阵列的优质成像。

　　(2)微测辐射热计(Microbolometer)。它是在IC-CMOS硅片上以淀积技术
，用Si3N4支持有高电阻温度系数和高电阻率的热敏电阻资料Vox或α-Si
，做成微桥结构器件(单片式FPA)。接管热辐射引起温度变动而扭转阻值
，直流耦合毋庸斩波器
，仅需一半导体造冷器维吃熹不变的工作温度。90年代初
，由Honeywell公司首先开发
，研造成工作在8μm～14μm的320×240 UFPA
，并以此造成实用的热像系统
，NETD已达到0.1K以下
，可望在近期达到0.02K。此类FPA90年代发展神速
，成为热点。与热释电UFPA 比力
，微测辐射热计选取硅集成工艺
，造作成本便宜;有好的线性响应和高的动态领域;像元间好的绝缘而有低的串音和图像吞吐;低的1/f噪声;以及高的帧速和潜在高活络度(理论NETD可达0.01K)。其偏置功率受耗散功率限度和大的噪声带宽不及以与热释电相比。

　　再结合载机和指标空间活动的几何干系方程组
，联立可迭代求解指标的距离和速度初值
，而后凭据公式(6)可对指标的后续采样点进行递推求解
，这为满足实时解算打下了基础；箍捎寐瞬ㄋ惴ɡ唇谢蠛捅硗拼χ
，提高精度。

　　通过红表探测器丈量指标在两个波段、两个采样时刻上的辐射通量
，就能够解算出指标距离和径向速度。

　　2.3 红表探测发展远景

　　为了满足红表信息获取技术发展需要
，美国等蓬勃国度在频谱波段上积极索求。无缝隙探测”.在微波/毫米波、可见光/中波红表/长波红表等波段探测方面获得了很大迸展.

　　2.3.1 红表焦平面阵列技术

　　首先在美国、法国等蓬勃国度
，基于窄禁带半导体蹄福汞资料的单波段红表焦平面器件技术已经成熟
，以288×4元长波和256×256元中波为代表的焦平面器件已根基取代了多元光导线列通用组件.256×256元蹄福汞焦平面探测器已实现工程利用.并已经向更大规模的凝视型面谇焦平面探测器、双色探测器发展. 长波器件已达到256×256元的规模
，钟注短波器件达到了512×512元甚至2048×2048元的规模
，长线阵的扫描型焦平面因其在空问对地观测方面需要而受到高度器沉
，针对分歧利用指标
，1500远红表中长波、3000远红表短波、4000远红表长波以及6000远红表钟注短波长线列焦平面器件纷纷问世。

　　红表焦平面器件技术
，不只有发展基于资料温度个性的硅Bolometer和铁电资料热释电或热容性红表焦平面器件
，还要着力发展基于微光机电技术的热机械应变式红表焦平面器件。同时通过新型资料的索求
，将优异的器件结构和资料个性有效地组合组成机能更为优越的焦平面器件
，形成了当前发展的沉要方向之一.例如
，法国的大型红表焦平面阵列(TRFPA)和双波段红表焦平面阵列技术以及幼像素非晶硅非造冷探测器技术钻研已经获得了肯定的进展.

　　2.3.2 红表电子物理

　　红表光电子物理发展的一个焦点就是红表焦平面有关的物理问题。如以蹄福汞资料为重要钻研对象的窄禁带半导体物理已获得很好的发展
，直接支持了以蹄福汞为代表的红表焦平面技术}而基于半导体微结构、纳米结构能带工程的了带物理也在急剧发展
，有力地推动了以量子阱红表探测器及其它量子器件为代表的新一类焦平面技术
，以光电物理为基础的新型红表探测利用资料与物理钻研也在近年变得极度活跃。红表光电子物理已成为重要钻研在红表波段能量领域内电磁辐射与物质相互作用
，钻研红表辐射和探测的道理与机造
，索求新的资料和器件
，为红表光电子技术提供科学基础以及直接利用的热点学科.

　　到目前为止
，红表预警探测系统集红表探测器技术、造冷技术和光电技术、信号处置技术、自动节造技术于一体
，以无源方式工作
，自身荫蔽性好抗滋扰能力强探测指标领域广
，已逐步成为对来袭威胁指标预警的重要伎俩之一.

　　2.3.3 双波段探测

　　单一波段红表探测系统会由于指标假装
，环境滋扰等成分导致其探测能力和正确度降落
，面双波段探测器件不只能够提高系统对假指标的甄别能力
，还能够降低系统的阑值电平
，提高系统的探测距离等
，所以双波段探测拥有较好地发展远景。例如
，法国。斯皮拉尔”舰用红表借鉴系统和荷兰的IRSCAN等都选取的是双波段探测.

　　2.3.4 复合探测

　　由于红表焦平面阵列技术已由单像元单色发展到双色
，并向三色、四色的方向发展
，预计年前将获得超光谱利用的能力.目前双色凝视焦平面阵列的野表测试已在进行.同时选取光谱滤波器线阵多色焦平面可实现覆盖可见光到长波红表的探测
，其光谱段已可多达数十个到数百个。美国波音飞机公司电子系统和导弹防御部在这方面的钻研已获得了很大的进展
，波音/罗克威尔的遥感器用HgCdT-e多光谱红表焦平面PACE一1已达1024×1024元
，Hawaii一2选取 2048×2048元阵列已研造出来
，其像元尺寸幼达18×18。

　　选取雷达、红表、紫表、激光等技术的综合型复合光电探测器系统
，并不休拓展其响应频谱领域
，降低虚警率和提高多传感器数据融合能力
，能力满足未来战场的必要.例如
，美国空军研造的复合告警器
，可同时探测红表、可见光、紫表及射频威胁.

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