红外探测器的发展及其在空空导弹上的应用

摘 要 本文介绍了红外探测器的发展状况, 归纳了现有红外探测器的类型, 并阐述了它们在空空导弹中的应用, 指出红外探测器及红外空空导弹的发展趋势。
关键词 红外探测器  红外空空导弹  焦平面阵列  双模导引头
引 言
自20世纪40年代德国研制出硫化铅( PbS)探测器以来, 红外技术有了很大的发展。从此,红外探测器就开始应用于空空导弹的跟踪和制导系统。随着科技的进步和军事装备的发展, 红外探测器已大量装备包括导弹、炮弹、炸弹在内的制导武器, 而以A IM29X响尾蛇导弹为代表的一系列空空导弹是红外探测器在空空导弹上成功应用的典范, 作为 红外空空导弹探测、截获和跟踪目标红外辐射的重要组件, 红外探测器常被比作导弹的“眼睛”和“心脏”。
从20世纪60年代的越南战争到80 年代的马岛之战、贝卡谷地之战, 红外空空导弹在空战中发挥了主要作用。在90 年代的海湾战争, 以及后来的科索沃战争空战中, 雷达中距空空导弹的战绩超过了红外近距空空导弹。但是隐身和干扰技术的不断进步使得总有一部分敌机突破中距拦截, 进入近距格斗, 因此,根据世界各国目前的技术水平,空战将继续沿着中远距拦射和近距格斗两个方向发展, 红外近距空空导弹仍然是现代高技术局部战争主要的空战武器之一。发达国家已完成了4代红外空空导弹的研制、生产任务, 并已陆续装备部队, 现进入第5代更先进的红外空空导弹的研制阶段。新一代导弹要求具有更高的探测精度、抗干扰能力、机动能力、大离轴角发射能力和全向攻击能力, 这些需求也推动着红外探测器的不断发展。
1 红外探测器的发展红外探测器是红外系统的核心部件, 其功能是将红外入射辐射转换成电信号。至今, 红外探测技术已发展到第四代。
第一代红外探测器是单元探测器和扫描线列探测器。单元探测器主要是硫化铅( PbS) 、锑化铟( InSb) 、锗掺汞( Ge: Hg) 红外探测器, 分别工作在1 μm ~3μm、3 μm ~5 μm 和8 μm ~12μm三个大气窗口, 受背景和气象条件影响较大, 抗干扰能力特别是抗云层反射阳光的干扰能力弱, 使其受到很大局限。线列探测器于20 世纪七八十年代逐步发展成熟, 主要是基于线列HgCdTe的探测器阵列, 包含60、120或180个探测元, 采用串行扫描方式, 但具有量子效率低及动态范围和灵敏度有限的缺点。
第二代红外探测器是扫描焦平面阵列。它是于20世纪80年代末至90年代初开发出来的一种以HgCdTe多元线列串联扫描技术为基础的阵列。它不仅增加了线列的单元数量, 而且增加线列行数, 形成串并扫描, 同时采用多级时间延迟和积分( TD I)技术把串联扫描同一行单元的光电信号依次延迟并相加。它们主要基于480元长的阵列, 与第一代探测器相比, 其在分辨率、灵敏度、动态范围和均匀性等方面都有极大的提高。目前, 美国、法国、德国、英国等国家已经研制出48 ×4、288 ×4、480 ×4 和960 ×4元光伏HgCdTe扫描焦平 面阵列。扫描焦平面阵列已经应用于红外成像导弹导引头。
第三代红外探测器是凝视焦平面阵列( FPA) 。其表现为大面阵, 主要采用这几种材料: InSb、HgCdTe、非本征硅和PtSi。CMOS读出电路的应用解决了凝视焦平面阵列探测器信号引出的难题。它取消了光机扫描机构,从而减少了系统的复杂性。而且由于凝视焦平面阵列量子效率高, 提高了灵敏度。把红外探测器有效、高密度地封装在焦平面上, 提高了系统的空间分辨率。
第四代红外探测器正在发展中, 主要体现为中波红外、长波红外双波段甚至多波段的同时工作能力。近几年出现的超晶格多量子阱红外探测器(QW IP)是其代表。超晶格中, 势垒高且厚,势阱中处于低能态的电子几乎完全被限制在势阱中, 称为量子阱。多量子阱技术是指具有不同光谱灵敏度的多量子阱层可以在纵向集成的结构中生长, 通过在多量子阱叠层中的中波红外和长波红外产生分开的接触层, 实现精确的像元匹配。多量子阱技术为人们提供了一种生产型多色焦平面阵列。这种技术允许对两种或更多的波段同时进行积分和读出, 每一种波段都在同一个焦平面阵列上得到像元配准。这种像元配准多色焦平面阵列提高了系统的性能, 同时也大大简化了系统其它元件的设计, 可降低系统的成本、重量, 缩小体积, 并能减轻计算机的处理负担。
正在发展的双色探测器还有HgCdTe双色探测器。其焦平面的每个单元对两个波段敏感。两个波段的辐射光入射到焦平面上, 波长短的在前一个二极管先被吸收, 波长长的继续前进, 到后一个二极管再被吸收, 从而提供双色功能。
QW IP和HgCdTe 探测器各有优缺点。QW IP主要优点是材料稳定性好、抗辐射能力强、均匀性好, 易制作大规模阵列、双色和多色器件, 可生产性好。主要不足是量子效率低, 暗电流随温度变化较大, 因此, 需要更低的工作温度。HgCdTe 探测器工作为本征吸收, 有很高的量子效率, 光生载流子寿命更高, 因此, 响应率较高, 工作温度较高。缺点是材料稳定性、耐辐射特性和均匀性, 规模进一步作大可能会遇到技术困难。InSb探测器因具有禁带窄、灵敏度高、探测效率高等特点 ,是一种目前被广泛使用的红外光电探测器。同时,Insb也是美国的禁运产品,除了TELOPS这一个品牌,可以出口到中国民用产品行业外,在中国几乎无法进口
目前应用需要的器件仍以发展HgCdTe FPA 为重点, 同时人们看好正在研究发展的第四代探测器, 发挥多量子阱均匀性好,易制作大规模阵列、多色器件的优势。
2 红外探测器的主要类型
红外探测器主要有下面几种类型。
2. 1  制冷型红外焦平面阵列( IRFPA)探测器红外焦平面阵列实现了由机械扫描向电子扫描的转变, 可获得高灵敏度、高分辨率、大视场的红外导引头系统, 且能使导引头的体积小、质量轻、功耗小,具有较大的探测、识别距离和多目标捕获能力。IRFPA已成为美国战区导弹防御计划( TMD )的关键技术之一。
如果辐射敏感和信号读出两功能采用同一块材料, 称为单片式。如果敏感元件与读出电路分开, 称为混成式。目前, 大多采用的是混成焦平面阵列, 它是利用铟柱倒焊工艺将硅读出电路与焦平面阵列互连制成。目前用的较多的焦平面探测器有HgCdTe和InSb探测器。
1) HgCdTe焦平面阵列
HgCdTe已成为红外焦平面阵列探测器的通用材料, 工作波段主要在3μm~5μm、8μm~12 μm。光HgCdTe 焦平面阵列阻抗高, 不需加偏流即能与CCD很好地兼容, 而且能简化制冷问题, 是目前应用最广的焦平面阵列之一。已制成的器件有32 ×32、64 ×64、128 ×128和256 ×256元, 工作温度为77 K。目前正在研制512 ×512的器件。
2) InSb焦平面阵列
这种焦平面阵列是用InSb材料制成的P2N 结或金属2绝缘体2半导体(M IS)结构, 产生的少数载流子储存在由栅极负压形成的反型区中, 再由硅电荷耦合器件或CMOS开关顺序访问探测器各元, 读出红外信息。InSb焦平面阵列探测器工作波段为1μm~5μm, 已制成的阵列32 ×32、64 ×64、128 ×128 和256 ×256元, 工作温度为80 K。目前正在研制512 ×512、648 ×648 元的器件。
3) 肖特基势垒电荷耦合器件
肖特基势垒电荷耦合器件是随着肖特基技术和CCD 技术的发展而发展的, PtSi红外探测器是其中的代表。PtSi红外探测器的波长响应范围是1μm~6μm,但目前通用的PtSi红外测器都工作在3μm~5μm波段。其优点是可与硅平面工艺兼容, 利于大规模生产, 响应不均匀性很低(仅为0. 3% ~2%) , 缺点是量子效率低。已研制成功的有128 ×128、256 ×256、324 ×427、512 ×512等元数的阵列, 正在研制的是1 024 ×1 024元的器件。在军用方面主要用于坦克夜视、导弹导引头和飞机夜间着陆等,如波音公司的324 ×320 元Pt2Si3100FPA。
4) 非本征硅焦平面阵列
非本征硅是制作小于6 μm和大于10 μm 波段探测器的最佳材料。并可用于制作单片式红外焦平面阵列探测器。目前非本征硅焦平面阵列的水平是2 048×2 048 元。由于所需作温度太低, 因此, 影响了它的使用。
2. 2 光子探测器
光子探测器大多是半导体器件。可分为光子发射器件、光导探测器件、光伏探测器件和光磁电探测器件等。光子探测器的输出信号很弱, 常温下它被半导体随机产生复合的电子2空穴对引起的热噪声所淹没, 某些光子探测器的材料是窄带半导体, 常温下, 载流子已全部激发光。为使探测器灵敏地分辨红外辐射的微弱变化, 并从热噪声中区分出信号, 必须冷却到一定低温。
2. 3 非制冷型红外焦平面阵列探测器
非制冷型红外焦平面阵列技术的发展和应用已引起广泛关注。目前已有的非制冷型红外焦平面探测器有热释电2铁电测热辐射计探测器、电阻测热辐射计探测器和热电温差非制冷型红外焦平面探测器。
1) 混合式热释电2铁电测热辐射计探测器是目前性能最好、成本最低、最小、最轻的非制冷探测器。美国马可尼公司已生产了100 ×100 元该阵列。德州仪器公司也已生产了28 ×245 元的混合式热释电2铁电测热辐射计探测器, 已用于几种军用和商用非制冷型红外系统。
2) 电阻测热辐射计探测器的代表是杭尼韦尔公司生产的单片式硅微测热辐射计阵列, 用于生产240 ×336元阵列的便携式摄像机。还有安伯尔工程公司研制的小型240 ×336 元微测热辐射计摄像机。
3) 热电温差非制冷型红外焦平面探测器主要有杭尼韦尔公司研制的120元热电堆红外探测器阵列, 已用于成像辐射计中。还有日本研制的128 ×128 元热电堆红外焦平面阵列。
3 红外探测器在空空导弹上的应用
红外空空导弹靠安装在弹头上的红外探测器接收目标的红外辐射, 将其转换成电信号, 再经过信息处理与放大用于跟踪目标和控制导弹的飞行。
20 世纪四五十年代, 为了攻击当时的轰击机, 成功地研制了第一代红外空空导弹。当轰炸机位于机炮射程之外时, 安装在歼击机上的红外空空导弹就发挥其作用, 向轰炸机尾部进行攻击, 从而达到提高攻击能力、摧毁目标的目的。这类红外系统采用结构牢固、性能良好、工作波段为1μm~3μm的单元非制冷PbS探测器, 如美国研制的响尾蛇A IM29B 空空导弹、苏联的К213、英国的火光等空空导弹均属此类, 目前已停产。
20世纪60 年代, 由于飞机技术有了很大改进, 速度明显增大, 出现了超声速轰炸机和歼击轰炸机。如果用第一代红外空空导弹去攻击, 已达不到摧毁此类目标的目的。于是对探测器进行了较大改进, 采用制冷PbS探测器, 仍为尾追型, 但灵敏度提高, 作用范围和攻击范围增大,可以实行后半球寻的攻击或中距拦截。如美国的响尾蛇A IM29D、法国的R530、英国的红头等, 被称为第二代红外空空导弹。
20世纪70 年代中期开始,出现了第三代空空导弹, 但红外成像处于初期发展阶段。美国海军和空军联合研制的响尾蛇A IM29L 是其典型型号, 为西方国家80 年代空空导弹的主力。制导系统采用InSb 光敏元件,除由发射架内的氮气瓶制冷外,发射脱架后还能从弹上的氩气瓶继续制冷, 以提高作用距离, 其攻击角可达90°, 最大射程为7 km, 作战高度大于15 km, 最大速度M a = 2. 5。这类导弹只能进行红外点源寻的, 不能实现真正的全自主攻击。此外, 苏联的蚜虫AA28、英国的SRAAM、以色列的怪蛇3都属于第三代红外空空导弹。
第四代红外空空导弹采用红外成像制导技术, 与第三代相比, 导弹的灵敏度显著提高, 探测能力和机动性大大增强, 由美国空军和海军联合研制的A IM29X属于目前先进的第四代红外空空导弹, 还有英国的先进近距空空导弹(ASRAAM) 、法国的麦卡改进型、以色列的怪蛇4、欧洲的IR IS2T 和俄罗斯的射手AA211等。A IM29X 导弹采用中波128 ×128 元HgCdTe 焦平面探测器, 其机动过载超过50g,最大离轴发射角为±90°, 英国的先进近距空空导弹( AS2RAAM)采用128 ×128元InSb焦平面探测器, 具有很强的抗红外干扰和瞄准目标要害部位的能力。其最大射程可达15 km, 离轴发射角为±60°。法国的麦卡改进型采用可互换的主动雷达导引头和红外成像导引头(采用128 ×128元双波段HgCdTe焦平 面探测器) , 该弹具有较远的作用距离和较好的抗干扰能力, 离轴发射角可达±90°。欧洲的I2R IS2T采用4 ×128 元InSb焦平面探测器, 导引头跟踪视场180°, 联合头盔瞄准具可实现90°离轴发射。
进入21 世纪后, 有较多的第四代近距导弹完成研制, 进入生产阶段。有些国家陆续开始了新一代红外空空导弹的研制。如美国正在进行的双用途制空导弹采用毫米波雷达/红外成像双模导引头等多项全新的技术, 将空空导弹和空面导弹两种作战角色、近距格斗和中距拦射两种作战任务集于一身。预计2018 年开始装备部队。美国海军正在领导A IM29X导弹第一次大的升级工作, 为A IM29X导弹增加一条从飞机到导弹的单向数据链(这种数据链将与A IM2120 先进中距空空导弹采用的数据链兼容) , 以提高A IM29X 导弹离轴发射后锁定的能力。与联合头盔提示系统(JHMCS)配合使用, 可以使导弹更有效地对付飞机后半球的目标。此外, 美国还在研制一种采用红外成像导引头的空射拦截导弹, 用以攻击处于助推段的近/中程弹道导弹, 目前已经进行了一次成功的发射试验。以色列的怪蛇5可提供超近程到超视距的全方位发射能力, 并具有良好的杀伤能力和抗干扰能力,该弹采用红外成像制导, 探测器为320 ×240双波段InSb焦平面阵列。以色列准备研制的怪蛇6采用主动雷达制导和被动红外制导双模导引头, 这种空空导弹还同机动的面空导弹系统兼容。俄罗斯Р277 改进型Р277Т采用红外导引头, 最大目标截获距离在15 km 以上, 安装一个数据链,可实现发射前锁定和发射后锁定, 从而既用作增程型近距格斗弹, 又可实施中距交战。俄罗斯用以装备其第五代战斗机的K2MD空空导弹采用一个装有焦平面阵列的新型红外导引头, 具有较高的抗干扰能力和目标识别能力, 性能超过A IM29X, 准备 2013年服役。
4 结束语
回顾红外空空导弹的发展历史, 其关键在于红外材料的发展和探测器性能的提高。红外空空导弹的先进性, 主要取决于其探测器的响应波段、响应率和探测率, 即红外探测器技术的进展或突破, 是红外空空导弹改进、更新换代的基础。
红外空空导弹的发展有赖于红外探测器的发展, 而红外探测器总的发展趋势是: 由PbS材料向InSb、HgCdTe和超晶格量子阱材料方向发展; 从1 μm ~3μm向3 μm ~5 μm、8 μm ~14μm及双波段甚至多波段发展; 由单元和多元向焦平面发展; 探测类型由点源向扫描成像和凝视成像发展。最终需要的是非制冷、波长适中、灵敏度高、质量轻、抗干扰能力强的高性能红外探测器。红外制导空空导弹则由单一红外向复合制导(或红外末制导)发展, 由红外半自动制导和点源寻的制导向红外成像制导发展, 从初始自主攻击向自 主攻击、高智能化发展。
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