军用红外技术

军用红外技术

一、概述红外技术是研究红外辐射的产生、传播、探测、转换及其应用的技术。一般按波长

将红外辐射分为：

0.78

m<

1.4

m近红外

1.4

m<

3

m中红外

3

m<

1000

m远红外

一切温度高于绝对零度的物体都有其自的红外辐射，这就是为目标和景物的探测、识别奠定了客观基础。

1800年，英国天文学家F.W.Herschel首先发现了红外辐射。二战后，许多国家都认识到红外技术的重要性，并致力于其研究和发展，其重要的工作是研制响应波段在大气窗口的光子型红外探测器，并研制出如硫化铅(PbS)、锑化铟(InSb)、锗掺汞(Ge:Hg)、碲镉汞(HgCdTe)等红外探测器。

50年代中期，红外点源制导型空-空导弹诞生，即美国的“响尾蛇”导弹。

60年代研制出记载红外行扫描仪、红外前视装备及早期的空间红外仪。70年代涌现出通用组件式红外热视仪、星载红外预警系统等。80年代发展以焦平面器件为基础的红外军事装备和空间红外侦察、告警技术。在美国战区弹道导弹防御计划中，天基星载红外探测系统均是探测助推段导弹的主要装备，也是识别中段弹道导弹的手段之一。

大气层中红外波段的三个“大气窗口”：

1~2.7

m、3~5

m、8~14

m

在窗口，红外辐射尽管也有衰减，但总算可以被有效地传输；在窗口之外，大气基本是不透明的。故红外系统在大气中的典型探测距离约为10km，故意战术应用为主，如探测飞机、舰船、车辆等。但在大气层之外，目标各波长的红外辐射都可以被有效地传输，使红外系统的探测距离可延伸两个数量级，达到1000km以上，可做战略应用。

通常认为，大气三个窗口的红外辐射能量对应目标的典型温度大约分别为1500k、900k和300k。红外FPA（焦平面阵列）探测器是红外探测器发展史上的一个重要里程碑。它有两个显著的特征，一是探测元数量很大，达到103～106量级，以至可以直接置于红外物镜的焦平面上实现所谓的大角度“凝视”，而不需要光机扫描结构；二是有一部分信号处理工作由与探测器芯片互连在一起的集成电路完成，电子脉冲代替了光学机械扫描体制。

红外技术的军事意义可归纳为：

⑴军用红外技术成为国家安全防御体系中的重要探测技术由于大气层外的空间最适于红外系统使用，红外探测是侦察卫星、导弹预警卫星采用的主要探测手段，也是气象、资源普查、遥感卫星必备的探测方式。红外技术会进一步成为国家安全防卫所依赖的主要探测手段。

⑵红外技术是未来高科技局部战争中使用的主要技术之一在夜间和恶劣天气条件下，在高强度的电子对抗、光电对抗的战场环境中，红外系统被动工作的优越性将得到更充分的发挥。以红外技术为己方获得战场上单向可视性，取得战场信息的强大优势，是自己能在全天候、全时日条件下识破伪装、突破防线，辨认和准确打击要害部位、重要设施与机动目标。

⑶红外技术的应用更加广泛和深入红外技术将被有效地应用于迅速发展的光电对抗、光通信及定向能武器等方面。对于高速运动的飞行体，如超音速飞行的飞机、导弹等，即是其具备完善的雷达隐身手段，但由于其高速飞行产生的气动加热，使其表面温度高达300～500ºC,

红外特征非常明显，难以摆脱红外探测系统的监测、跟踪。此外在雷达被严重干扰时，红外探测就成为主要的防空探测手段。

红外系统一般以“被动方式”接受目标的信号，故隐蔽性很好，更易于保密，也不易被干扰。红外探测是基于目标与背景之间的温差和发射率差，传统的伪装方式不可能掩盖由这种差异所形成的目标红外辐射特性，从而使红外系统具有比可见光系统优越的多的识伪能力。目标离开后，其特有的红外辐射会在原地滞留相当长的时间而不会立即消失，借助于此，红外系统变更均由其独特的“追忆记录”功能。

相对于雷达而言，红外系统体积小、重量轻、功耗低、容易制成灵巧装备，且不怕电磁干扰，特别适合于“发射后不管”的精确制导武器。红外技术的缺点：大气层内的探测能力不如微波雷达，且只能利用在三个大气窗口内的目标辐射信息；红外材料品种太少；探测器工艺复杂，成本高昂，其尺寸小，大大限制了红外系统的战术技术性能；现役红外装备大多需制冷手段，影响其应用。军用红外技术的三个主要方面：跟踪与制导，红外夜视，侦察和预警。工作温度：

⑴室温—常取为295K或300K。⑵干冰---194.6K（固态的升华温度）。⑶液氧沸点---90.2K.⑷液氩沸点---87.2K.⑸液氮沸点---77.3K.⑹液氖沸点---27.1K.⑺液氢沸点---20.4K.⑻液氦沸点---4.2K.

二、红外探测器红外探测器是把红外辐射能转换为电能或其它便于测量的物理量的器件。红外探测器是基于红外辐射与物质相互作用产生热效应或光电效应而工作。故探测器常分为热探测器和光子探测器。

1800年赫谢尔发现红外辐射所用的水银温度计是最早使用的热探测器。1830年意大利人L.诺比利应用温差效应制成辐射热电偶。1880年美国人S.P.郎利用铂箔制成测辐射热计。二战期间制成热敏电阻式测辐射热计。1964年美国人高莱里用气体热膨胀制成气动型热探测器—高莱管(GolayCell)。60年代中期制成热电探测器，其性能优于其它室温工作的热探测器。光子探测器是军事应用的主要红外探测器。二战期间，德、美研制出PbS红外探测器。50年代后期，实用的红外探测器已能覆盖三个大气窗口。60年代制成碲镉汞(Hg1-xCdxTe)等三元素化合物半导体红外探测器。1974英国人埃略特(Elliott)等人研制出SPRITE(SignalProcess-ingInTheElement)红外探测器，实现了在器件内部的信号处理。1、热探测器热探测器利用红外辐射的热效应而工作。当探测器的响应元受到红外辐射后，其温度上升，引起材料的某些物理性质发生变化，器件及产生相应的电输出，测量这种输出，即可感知器件接收到的红外辐射。

热探测器常被分成四种：辐射热电偶、气动探测器、测辐射热计、热释电摊测器。

它们的共同特点：对辐射波长的响应无明显的选择性，实际上由于材料对不同波长的辐射的吸收、反射有一定的差异，使器件的响应对波长略有一定的选择，可通过镀制一层良好的吸收曾来改善；器件可在室温下工作。但它们的响应率低，

响应速度慢，军事应用受到限制。

⑴测辐射热计对温度敏感的材料（导体或半导体）受到红外辐射后，温度上升，电阻也随之改变，其变化量与温度的变化量成正比：

R=

TR•

T

测得

R即可知接收到的红外辐射量

。

T--材料的电阻温度系数对金属：

T=1/T半导体：

T=-

/T2

=3000K

电阻的变化由电桥测得。金属

T的绝对值小于半导体的，即灵敏度较低，但它耐高温，故可用于高温的模拟测量，常用的有金、镍、铋等金属膜。半导体灵敏度较高，但它不耐高温，多用于辐射测量，如搜索和跟踪热辐射题。常用的有氧化锰、氧化镍、氧化钴等金属氧化物。

⑵高温超导测辐射热计由于高温（〉77K）超导材料的发现，超导薄膜制备技术的进步，加之借用集成微结构工艺，高温超导探测器正走向实用。高温超导探测器原理：超导体从正常态转变至超导态时，其阻值随温度的变化而剧烈变化。在超导转折点附近，微小的温度变化将产生很明显的电阻变化（约为10n/2k)，故响应率很高。此类探测器的光谱响应向长波方可延伸至亚毫米甚至毫米区，且响应与波长无关。现国际上再研究氧化物高温超导体室温光热辐射探测器，其突出的优点是可在室温

下工作，不要求器件处于超导转变点附近。如在倾斜的SrTiO3（三氧化钛锶）单晶衬底上制成的室温工作光热辐射探测器，噪声小，响应快，在很宽的辐射波段内有相当高的灵敏度。高温超导红外探测器优势明显的性能：

可探测从X射线到微波的电磁辐射，覆盖紫外、可见光、红外、亚毫米和毫米波。在8～14m波段，HgCdTe最好，但对波长〉20m，

HgCdTe难以胜任，但超导红外探测器仍有很好的性能。

高温超导探测器被认为是红外与亚毫米波波段的最佳器件，填补目前亚毫米波段无探测仪的空白。工耗小，噪声低，有利于制成均匀的大面积阵列。全天候工作能力较好。成本低。Honeywell93年称，淀积在Si

微结构上的高温超导测辐射热计之成本比HgCdTe的要低几个数量级。

⑶热释电探测器按晶体结构的对称性，可把晶体分为32类。其中20类属压电晶体。在这20类中有10类具有唯一的极性轴，称之为极性晶体。在外电场和外加压力均为零的条件下，极性晶体内正负电荷中心并不重合，出现偶极矩，故具有自发电极化性质。由于自发现象，在与自发极化强度矢量PS垂直的外表面上形成束缚电荷

0。若极性轴与晶轴方向一致，则有

0=PS

。在无外界作用时，此束缚电荷

0会被表面吸附的杂散电荷(

1)、晶体自身扩散来的电荷(

2)所中和，而显中性。即PS+

1+

2=0

当晶体吸收了红外辐射后，温度上升。由于PS是温度的函数，且驰豫时间很短（

10-12s)，故PS迅速变化。但

1和

2驰豫时间长达几分钟（甚至达小时），远跟不上通常条件下的温度变化，于是晶体表面的

电中性条件被破坏，呈带电状态。若沿与极化强度正交方向将晶体切成薄片，并在两端表面沉淀金属电极，在红外辐射照射下，两电极间就有电压。此电压与晶体的温度变化的变化率成正比，而不是与温度的变化量成正比。若外接电路，则形成所谓的热释电流。此类晶体叫热释晶体。此效应称为热释电效应。

若以调制频率为f的红外辐射照射，则晶体的温度、自发极化强度及由此引起的表面束缚电荷密度均以同样频率变化。只要f-1小于自由电荷中和面束缚电荷所需要的时间，则在垂直PS的两端面间就产生交变的开路电压。热释电现象与温度密切相关。这是因为曲线(PS-T)在不同T点有不同的斜率。且每种热释电材料都有一个特定温度Tcu,当T>Tcu时，PS=0。Tcu叫居里点。只有当T〈Tcu时，才有热释电现象。居里点低的材料易退极化，失去热释电性能。常用的热释电材料有硫酸三甘肽、参L-

丙胺酸改性后的硫酸三甘肽(LATGS)、钽酸锂(LiTaO3)、铌酸锶钡(SBN)晶体、锆钛酸铅(PZT)类陶瓷、聚氟乙烯(PVF)和聚二氟乙烯聚合物薄膜。

2、光子探测器光子探测器亦称量子探测器，系基于光电效应而工作。其中基于外光电效应叫外光电探测器或真空光电探测器；而基于内光电效应又分为光电导(PC)和光伏(PV)型探测器。外光电探测器于微光夜视仪类似，利用逸出功低的光电阴极。

光电导(PC)探测器的工作物质多为半导体。当入射光子的能量不小于被辐射半导体的禁带宽度或杂质电离能时，便在体内产生自由电子或空穴，使材料的电导率上升。在外加偏压的作用下，输出与入射能量相应的电信号。光电导效应有本征型与非本征型之分。PbS、InSb、HgCdTe属本征型半导体，而锗参杂、硅参杂者属非本征型。由于杂质的电离能远小于半导体的禁带宽度，故参杂半导体的长波限比本征型的要长。但由于杂质浓度低，故非本征光电效应比本征型的弱得多。因光电探测器的电阻对光敏感，故也称为光敏电阻。光伏(PV)型探测器以光生电动势原理来工作。当光照射p-n结时，p区、n区和结区都产生电子-空穴对，而p区的光生空穴和n区的光生电子被p-n结处的结电场阻挡，不能进入结区。只有p区的光生电子

可扩散到n区一侧的结边界，n区的光生空穴可扩散到p区一侧的结边界。同时，结区的光生电子-空穴对受结电场的作用而分开，电子漂向n区，空穴漂向p区。上述过程的总效果是使p区和n区各自获得光生正电荷和负电荷，使p-n结的势垒高度降低。这种由光辐射而产生的势垒变化称之为光生电动势，此现象叫光生伏打效应。

可将上述过程总结为三个主要物理过程：

吸收光能发出非平衡电子空穴对；非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动，这种运动可以是扩散运动也可是飘移运动；非平衡电子和空穴在非均匀势场区作用下向相反方向运动而分离。

这种非均匀势场可以是p-n结、金属与半导体间的肖特基势垒和异质结等。肖特基势垒光电探测器是光伏探测器的一种。将金属沉积在半导体表面。由于金属和半导体中的载流子所处的能级的差异，它们会由高能级向低能级方向转移，其结果是出现内建电场。由于此电场对上述转移的抑制，很快就达到平衡，形成稳定的结区势垒--肖特基势垒(Schottky—barrier).

当入射光辐射打破这种平衡时，就产生光伏效应。在这种器件中，势垒就在半导体表面形成，光生载流子直接在势垒区内，这既省去了扩散时间，又减少了复合损失，使器件响应快、灵敏度高。但入射光要通过金属层，有部分光能损失。

Josephson界探测器。1962年Josephson

指出：在两片超导体之间夹一层薄绝缘

材料(如厚10-3m的氧化层)，形成小势垒的弱耦合结。由于结两边超导体种电子的相位相关性和量子隧道效应，电子可穿过此绝缘层。这种具有量子隧道效应的弱耦合结叫做Josephson结。若将外路连通，街上就有零偏压超导电流，称之为直流Josephson电流。如在结上另加直流电压V,则结上除有直流

Josephson电流外，还有一交流超导电流，

即交流Josephson电流，其频率与V成正比。若有辐射照射在结上，则流过结的零偏压超导电流将发生变化，至使界的伏安特性改变。基此可制成性能优良的探测器---

Josephson结探测器。目前点接触型Josephson结探测器达到的性能指标：工作温度<10k，响应波长<0.3mm，响应时间

10-8s(直测值),

10-10s(实验推算)。

InSb(锑化锌)光电导探测器本征型PC器件，其禁带宽度Eg很小。当T=300k时，Eg=0.17eV,相应波长

c=7.3m;

当T=77k时，Eg=0.23eV,

相应波长

c=5.4m;实验表明，降低工作温度可大大提高器件的探测率，但截止波长和峰值波长都会向短波方向移动。常用且性能最好的是77k温度的低温探测器。考虑到大气窗口，77k工作温度的低温期间是3～5m波段常选用的。封在杜瓦瓶内。

HgCdTe光电到探测器

Hg1-x

CdxTe是由半导体CdTe和HgTe组成的固溶三元化合物半导体，式中x代表CdTe的克分子数。近于0k时，CdTe的禁带宽度Eg=1.6eV；

HgTe是一种半金属，此时其禁带宽度Eg=-0.3eV。

Hg1-x

CdxTe的禁带宽度Eg随组分x和工作温度T而变，其总的趋势是：Eg随x、T的增大而变大，但T的影响比x要弱得多。常用组分x有0.2,0.28,0.39等：

x=0.2,T=77K,

用于8～14m波段.x=0.28,T=195K,用于3～5m波段.x=0.39,T=300K,用于1～3m波段.

用于8～14m波段的HgCdTe器件具有重要的实用意义。因具有同等性能的探测器需要30K以下的低温。工作于室温的1～3m波段的HgCdTe

器件某些方面虽不如PbS,但它的快速响应特点使之在激光测距和通信领域被成功应用。

SPRITE探测器1974年，英国Dr.Ellliot首先提出光导

HgCdTe扫积型条状探测器，实现在器件内部作信号处理。它由若干条型器件组成，每条又相当N个分立的HgCdTe

探测器。当目标的红外像斑沿长条方向扫过时，外加电场驱使光生载流子也沿上述扫描方向迁移，并使迁移速率与像斑扫描速率相同。这就使载流子经过串行累积后再由读出区输出，从而实现目标信号在器件内部的延迟与叠加。现已制成的SPRITE探测器有用于中红外和远红外的两种，分别工作于3～5m和8～14m波段。其探测率比通常在此波段工作的探测器背景现提高了好几倍，这主要归功于“扫积”作用---光场在整个元件上各处所产生的载流子均被外电场“扫”在一起，堆“积”在该元件末端的两电极之间，使此区域的光生载流子密度比没有“扫积”作用的器件高得多。该探测器既能对红外辐射探测，又具有对信号的延迟与积分功能，使后续信号处理电路大大简化，有利于探测器的密集封装和整机体积的缩小。

PbS光电导探测器用沉淀法或真空升华法在石英基板上生成PbS薄膜，再在两侧涂黄金薄层(厚约

5m)作为加偏压的电极。PbS膜层后置有附于云母基片的黄金层，使穿透PbS

层的光子被反射再进入PbS层，以提高入射光子的量子效率。PbS探测器最早被用于红外制导系统。

室温下其长波限为3m，

Eg=0.37eV.近年来制成了单晶PbS光导器件。在77K

时，它相应率高，响应时间短，易于制作大面阵器件，是性能优良的近红外波段探测器

InSb光伏探测器

InSb材料可制成p-n结伏探测器。以P型层表面作光照面，产生的少数载流子市电子，具有较高迁移率和扩散长度。这确保大部分光生少数载流子能扩散至

p-n结而形成光生电动势，故灵敏度较高。

InSb光伏探测器是中红外波段常用的高性能器件，响应快，灵敏度高，已用于多种全向攻击性红外导弹。这种器件的灵敏度随工作温度降低而提高，在77K时响应率最大，且比同温度下的光导器件约高一倍；响应也比光导器件快。但其工艺更难---增加成结工艺和形成p-n

结台面工艺。焦平面器件肖特基势垒探测器出现后，红外焦平面阵列(IRFPA)探测器成为研究的热点。使用

IRFPA器件，可大大简化甚至取消光机扫描机构，系统灵敏度可提高两个量级，且可同时处理多个目标，是红外技术的一个重要变革。这使红外系统体积缩小、重量减轻、响应更快、可靠性提高，在军事上更有突出的适用性。红外焦平面器件有混成式、单片式等多种结构。前者是分别制备红外面阵和相应的信号处理芯片，然后互连成一体。后者是在同一衬底上同时制备红外光敏元件和信号处理元件。混成式结构可充分利用成熟的硅工艺，但互连复杂，面阵均匀性差。单片式单片式易于制备元数多、均匀性好、价格低的器件。

以HgCdTe制IRFPA的工艺成品率只有0.5%左右。但它已在军事上实用。

PtSi焦平面阵列尽管其响应率较低，但由于其较高的工艺成品率还是受到普遍的重视。以制成的256

256元中红外焦平面阵列器件已在导弹和指导炮弹上应用。当前，HgCdTe阵列的一个像元价格是以美元计，而PtSi阵列的一个像元只以美分计。

三、主动红外夜视仪主动红外夜视仪用近红外光束照射目标，将目标反射的近红外辐射转换为可见光图像，实现有效地“夜视”，故它工作在近红外区。采用Ag-O-Cs光电阴极的主动红外夜视仪工作在0.76～1.2m的近红外区，其长波限1.2m是光电阴极的截止波长，其短波限0.76m是人眼的长波截止波长。

选用以上波段有以下优点：

⑴在此波段内，一般绿色草木的反射率比暗绿色涂漆高得多。这使得主动红外夜视仪在观察普通地面背景中的军事目标时，能得到高对比度的图像。若在可见光谱区，绿色植物与暗绿色漆的反射光谱积分量相当，主动红外夜视仪就很难区分植被背景与军事目标。⑵实践证明，摘下的绿叶在几小时后，其红外反射率急剧下降。利用这点，主动红外夜视仪又容易识别用砍下的枝叶形成的伪装。⑶相对于可见光而言，近红外辐射的大气散射小，有更好的穿透能力。大气象后散射的影响：当照明光束穿过大气时会被散射，会有部分散射光沿逆向进入观察系统，即向

后散射。它在像平面上造成附加背景，降低图像的对比度。在能见度较差时，情况更加严重，甚至成为约束此类系统性能的基本因素。选通工作方式：选通工作方式的主动红外夜视仪采用脉冲红外激光照射目标，以带选通电极的变像管取代普通红外变像管，按到达观察系统的时间先后来鉴别目标光束和散射光束，并基此将散射光束拒之门外，只允许

目标光束到达像面。这是抑制大气向后散射影响的有效措施。采用此方式，选通像管是关键。在光阴极与锥形阳极之间设选通电极。当选通电极的电位低于阴极的时，光电阴极的电子发射被阻止，变像管呈“关闭”状态。利用“选通”特性，设计专门电路控制选通电极的电位，使得当由目标返回的光束到达观察系统时，变像管正好呈“导通”状态，

在其余时间内，变像管一律是“关闭”的。实现合理的“选通”需要脉冲激光器与选通变像管在时序上的严格协调与配合。激光脉冲的持续时间与观察的景深紧密相关，持续时