空间应用图像传感器系统及其应用

   　自五十年代末苏联发射世界上第一颗人造地球卫星以来，世界各先进国家都争相发展太空飞行技术，到二十世纪末期，已发射空间飞行器5000余颗。其中，70%是在和平利用空间的民用技术招牌下进行开发的，纯军事应用占近1/3。但是由于民用中有相当大的比例为军民两用型，如有名的法国“斯波特”（SOPT）卫星和美国的地球观察卫星（EO-1），陆地卫星（Landsat）和“快鸟” （QuickBird）等，所以，事实上军用航天器估计要占多达2/3的比例。空间技术已成为象征着强国的标志，并充满着火药味。在军事目的应用的强烈牵引和各国军界雄厚资金的资助驱动下，全球空间技术的发展成了二十一世纪令人极为瞩目的目标。

    　随着八十年代和九十年代光电子技术的飞速发展，使固体可见光图像传感器和红外焦平面阵列热摄像图像传感器技术不断地突破技术难关，发展成熟，迅速地用作空间技术的各种星载光电子图像传感器，航天敏感器技术发展到了一个新的阶段，对空间技术的发展产生了深远的影响。本文主要评述固体光电子图像传感器技术发展的现状和趋势，以及在航天星载方面的应用。

二、固体光图像传感器的器件技术的发展现状与趋势

1、固体光摄像器件―理想的星载光图像传感器

   　 固体光电子图像传感器技术包括可见光硅图像传感器和短波、中波和长波红外焦平面阵列技术。由于图像传感器器件的不断发展，目前的固体图像传感器从可见光和近红外波段的CCD器件发展到了短波、中波和长波红外焦平面阵列。与星载反束光导摄像管相比起来，由于固体图像传感器具有一系列优点，非常适用于用作空间星载图像传感器，如：

    （1）体积小，重量轻；
    （2）无图像扭曲；
    （3）光响应工作波段宽，可见光硅CCD和CMOS图像传感器的光谱响应可从紫外区延伸到红外区，而红外焦平面的光谱响应波段覆盖了从1mm～14mm和远红外更宽的电磁波谱区；
    （4）高分辨率，可在焦平面上集成数十万、百万乃至千万像元的大格式阵列、实现大视场空间传感器；
    （5）同焦平面信号处理，像CCD、CMOS和各种红外焦平面阵列器件，由于微型加工技术的发展，可采用混合式或单片集成方式把焦平面上光电转换的焦平面探测器阵列与信号处理电路集成微小的集成电路块，实现同焦平面信号处理；
    （6）采用电子自扫描或凝视工作模式工作，简化和完全取消机械扫描，实现系统小型化和微型化；
    （7）低功耗工作，数伏电压下即可工作；
    （8）低成本；
    （9）可靠性高。

    　总之，小型化的小体积、轻重量、低功耗、低价格和高性能、高可靠性的固体空间光图像传感器为空间系统的设计和应用提供了极大的灵活性。

2、可见光固体图像传感器

    　可见光固体图像传感器已使成像技术实现了小型、低功耗、低成本和便携式应用、使成像系统技术了发生了革命性的变化。尽管迄今为止已发展了多种固体摄像器件，然而CCD器件和已在快速发展的CMOS图像传感器却占据了整个该领域的95%的份额，CMOS是继CCD之后的后起之秀。

（1）图像传感器件

  　  CCD图像传感器件技术已发展了三十多年，早已是成熟和普及应用到各种军用和民用系统的器件，在红外焦平典型面阵列技术实用化之前很长一段时间极受军用重视，目前仍在可见光波段广泛采用。

  　  ①像元集成度：摄像阵列像元的多少是摄像系统分辨率性能的关键性因素，目前的CCD器件已可根据系统应用目的要求同芯片集成或多芯片拼接，或多器件组合成任意像素数的器件。

    ・ 线阵：常用单芯片像元集成度为512、1024、2048、4096、5000、7450和8000等；多芯片像元集成是用二个或多个单线阵芯片组合起来形成数万像元的特长线阵列，常用作星载或机载多光谱传感器；

    ・ 时间延迟与积分(TDI)阵列：常用的单芯片是2048×96、2048×144和4096×96的阵列；多芯片是用多个单芯片拼合起来，常用作星载或机载推帚式扫描传感器，加拿大的DLSA公司制作的这种传感器在全球很有名；

    ・ 面阵列：大格式阵列像元集成度为1024×1024、2048×2048、4096×4096 少数如科学研究和天文应用方面阵列达7000×9000、8192×8192和9126×9126元，最大的9126×9126元阵列是美国Farchild Imaging公司研制的；

    ②像元尺寸：CCD的像元尺寸不能太小，过小将影响曝光性能，目前的大格式阵列像元尺寸已小达7.0mm×7.0µm；

    ③灵敏度，通常为几个Lux~Lux-1，加上增强器处于微光工作模式时为Lux-3；采取冷却时为Lux-5~Lux-7；

    ④分辨率：大型阵列通常的电视分辨线为＞1000×1000TV线，根据系统要求可更高，光学尺寸通常为2/3、1/2、1/3、1/4in.，目前最小已做到1/7in.。

（2）CMOS图像传感器件

    　由于CMOS图像传感器件与CCD相比功耗更低，可实现极高帧速工作和低成本化，.成本仅为CCD的1/4，因而发展极快，可能最终在某些领域取代CCD。

    ① 像元集成度：由于器件技术的进展，目前的像元集成度常用的为几十万到100万像素，如512×480和1280×1000，已能制出4096×4096和6144×6144元的阵列；

    ② 像元尺寸：由于制作技术的不断改进，像元尺寸已可小达3.3mm×3.3mm；

    ③ 高灵敏度：在近红外光谱区（900nm）光电转换效率高达50%；

    ④ 宽动态范围：CMOS的动态范围通常为60dB以上，已达到170dB；DALSA CMOS-1M28/1M751024×1024元摄像机的动态范围也高达1,000,000:1。

    ⑤ 高帧速和超高帧速：随着CMOS图像传感器技术的发展，2003年中不断报道了高帧速和超高帧速CMOS图像传感器，美、日公司在高帧速工作方面取得了显著的进展.。DALSA和红湖公司的CMOS图像传感器帧速竟然高达100000frame/s。

    ⑥ 功耗：CMOS最明显的特点是低功耗，目前高帧速工作时仅为50mW。

（3）趋势

   　 CMOS图像传感器是目前和未来该领域正在发展中的主流技术。CCD主要是在应用上想办法，根据不同的应用目的和系统设计方案组合应用。由于CCD图像传感器技术极为成熟， 预期最终CMOS图像传感器难以取代CCD图像传感器，将是二者长期共存的局面。但是， CMOS图像传感器具有成本低、集成度高、低功耗的突出优点，如果再解决了影响性能和图像质量的噪声问题，CMOS就将成为极佳选择。

3、红外焦平面阵列

   　 红外焦平面阵列技术的发展已引起了商界和军界军火商的极大关注。红外焦平面阵列技术对军事装备更新换代的深远影响正在改变现代战场作战的特点和概念。

[$page$]

 

   　 刚结束的伊拉克倒“萨”战争再次显示了在现代战争中高技术含量越来越重要。美英联军一是靠高性能的空间侦察卫星、U-2高空侦察机和“食肉者”武装侦察机等获取伊拉克地面的目标信息，二是靠先进的导弹、炸弹对所定目标精确打击，三是靠新一代的夜视装备夜间行军作战。这场战争中的高技术含量中，红外热成像装备就是其中之一，而且显得非常突出。

（1）新进展

  　  空间应用对设备提出了苛刻的条件要求：重量要轻、体积小便于使用和携带，高性能、稳定、工作环境温度、全天候、特别是黑夜条件下的应用、可靠等。今天的红外焦平面阵列技术的发展已满足了上述的苛刻要求：

① 高温工作

   　 从太空和军事应用的角度来讲，不受环境温度变化影响和制约的装备易于获得稳定的性能，是极受欢迎的。目前的光量子类红外焦平面阵列，如PtSi，InSb，HgCdTe和GaAlAs/GaAs量子阱等都是已投产和准备投产的品种，用杜瓦瓶液N2致冷或小型斯特林致冷器和电子致冷器均可满足≥77K的工作温度条件，通常为80K，最终目标是240K。而1~3mm波段的InGaAs焦平面阵列则可不用致冷在室温下稳定工作；以VOx为代表的非致冷长波红外焦平面阵列技术的发展已实现了长波红外摄像不用致冷工作。

②高像元分辨率

    　高像元分辨率是系统中最优先要考虑的重要因素，因为这涉及到系统一系列性能参数的好坏。目前的红外焦平面阵列像元分辨率极高，不但已实现了第二代TDI工作模式的阵列生产，而且像640×480、1024×1024和2048×2048元的凝视阵列有的已投产，如PtSi、InSb和HgCdTe与GaAlAs阵列，有的正准备投产，像非致冷红外焦平面阵列的320×240，640×480这样的阵列都已投产或准备投产，1024×1024元阵列已在发展中，非致冷阵列在制作工艺上也已成熟。像元尺寸已从50µm×50µm缩小到了25µm×25µm，国内的非致冷红外焦平面阵列已发展到了128×128元的阵列。

③ NETD指数

    　NETD是评价系统性能的关键性性能参数，而这一参数也主要取决于焦平面阵列的NETD值。目前的光量子类红外焦平面阵列的NETD值范围通常在0.1~0.01K，使用f/2光学时，InSb、GaAlAs和HgCdTe的第Ⅱ代320×256元阵列和第Ⅲ代1024×768元阵列可达到0.01K的NETD值，这适合于高性能的系统应用.而非致冷热型红外焦平面阵列中320×240和640×480元的VOx阵列NETD 分别达到了0.01k和0.025k.满足了中低档的军用装备应用，芯片生产已从5英寸的芯片转向6in.，计划投产8in.芯片。

④ 双波段和多波段阵列

    　双色和多色红外焦平面阵列是该技术发展的一个重要方向，这种技术的发展属于下一代的阵列技术，对于军事应用具有极为重要的意义。这种阵列目前主要是GaAlAs/GaAs量子阱红外光电探测器焦平面，其双波段的阵列规模已达到640×512元，目前一些大的公司研究所正在合作发展1024×1024元的阵列，而且由军方出资发展四色的QWIP阵列，如美国国防高级研究规划局（DARPA）出资160万美元要求QWIP技术、NASA的喷气推进实验室（JPL）和麻省理学院林肯实验室合作研发的1024×1024元水平集成四色QWIP阵列，目前这种阵列工作温度约为77K，未来将达到120K，像元尺寸20~25mm。

（2）趋势

    　目前先进的红外焦平面阵列技术正处在从第二代向第三代更为先进的阵列技术发展的转变时期。各有关公司和厂家机构的注意力已转向第三代红外焦平面阵列传感器的发展。第三代红外焦平面阵列技术要满足以下几种要求：

    ①大型多色高温工作的红外焦平面阵列，探测器像元集成度≥106元，阵列格式1000×1000，1000×2000，和4096×4096元，像元尺寸18×18mm2，目前芯片尺寸22×22mm2，未来的芯片应更大，高的量子效率，能存储和利用探测器转换所有的光电子，自适应帧速（480Hz），双色或多色工作，使用斯特林或热电温差电致冷器，工作在120K～180K，光响应不均匀≤0.05%，NETD≤50mk(f/1.8)，结构上单片或混合集成，可以是三维的。

    ②非致冷红外焦平面阵列，无须温度稳定或致冷，用于分布孔径设计，重量仅1oz，30mW功率，焦平面探测器元集成度≥106元，阵列格式1000×1000元，像元尺寸为25mm ×25mm，NETD＜10mK(f/1)，或60mK(f/2.5)，低成本、低功耗、中等性能，用于分布孔径设计中获取实用信息。

    ③非致冷工作的微型传感器，焦平面探测器像元集成度仅160×120元～320×240元，像元尺寸50mm ×50mm和25mm ×25mm，NETD＜50mK(f/1.8)，输入功率10mW以下，重量1oz，尺寸＜2in3，低成本。

三、星载固体光电子图像传感器应用

   　 空间星载遥感图像传感器具有宽空间和宽光谱分辨图像的特点，用作最先进的全景扫描、多光谱和超光谱图像传感器从卫星等空间平台上对地球表面的海洋形态、地质和大地生态与环境进行考察和监测、对太空进行天文探测研究，对地球表面目标进行探测、识别和分辨出隐蔽和伪装的目标，精确地确定地球表面目标的位置等，商用和军作范围极为广泛，具有极为重要的意义。美国依靠其强大的经济实力和世界领先的高科技技术，一直在加紧发展先进的空间探测和侦察技术，近些年来军民两用系统一直在美国国防高级研究规划局中占有相当的比例。像“快岛”这种超高分辨率的空间探测卫星用于军用是绰绰有余的，虽然其声称为商用卫星，但空间分辨率已逼近军用卫星的10?M。美国的CCD、CMOS和红外焦平面阵列传感器技术在激烈竞争的全球市场上一直处于顶级地位，而且将这些遥遥领先各国的先进传感器技术迅速地用于天文探测卫星，地球资源遥感卫星和高分辨率的军用间谍卫星等。

 

[$page$]

1、典型民用和军用图像传感器光谱段应用

   　 可见光～近红外(VNIR)波段是测绘、水深透和特征分辨最重要的光谱区。短波红外波段(SWIR)在确定植物水分和分辨雪与云状物方面最为重要，因而对农作物条件分析、气象、天气预报和全球变化有关的科学研究极为有效。从地质角度来看，该光谱区是非常有用的，因为该光谱段提供了有关地球表面，如土壤、岩石和植物的大量信息强度对比；短波、中波、长波和更长波长的红外光谱段对军用和航天星际探测具有极为重要的意义。其应用范围列于表1中。

2、星载固体光电子图像传感器应用

    　随着CCD、CMOS和红外焦平面阵列传感器技术的飞速发展和成熟， 已广泛地用作全景、多光谱、超光谱图像传感器。

    ・ 全景扫描摄像机采用高分辨率的线阵列或TDI阵列图像传感器，在可见光到近红外的宽光谱区内产生高分辨率的黑白图像。多光谱摄像机采用高分辨率的多光谱线阵列图像传感器用于红、绿、蓝，近红外和短波红外光谱区的分离波段产生可见光至红外(IR)区的彩色图像， 多光谱成像仪一般能观测几个到十几个光谱波段。

    ・ 超光谱摄像机(Hyperspextral Imager)则采用光机扫描线阵列和面阵列图像传感器，光谱更窄(10nm)，产生的是高光谱分辨的光谱图像信息，一般具有100~400个谱段的探测能力，光谱分辨率在  左右。广泛用于各种地球资源的探测，同时也具有重要的军用意义，因为超光谱成像仪可以获得精细的目标光谱曲线，可通过观察所获得的光谱图像及光谱图像的变化，进行军事装备的识别和侦察，评估作战效果。迄今为止，星载超光谱成像光谱仪还都是以科学试验为目的展开研究的，目前一般还都处于验证性实验阶段。美国1997年8月23日发射了世界上第一颗携带超光谱成像仪（HIS）的小型对地观测卫星“刘易斯”（Lewis）。

    ・ 超超光谱成像仪（Ultra-Hyperspectral Imager）可探测谱段数多达400~1000个左右，而谱带宽更窄  。超光谱成像仪主要用于科学研究，如气体的化学成份和各种物理特性分析等，与超光谱成像仪的工作机理类同，谱段更多更窄，是今后的发展方向。

    　虽然星载CCD、CMOS和红外焦平面阵列全景、多光谱、超光谱和超超光谱星载图像传感器件技术及其应用技术已相继得到应用，在多光谱、超光谱和超超光谱应用方面不断取得进展，引起了全世界的关注，应用前景非常广阔，但是，这种应用必竟还处于发展和探索阶段。这些应用主要是地球资源卫星传感器、陆地和海洋观察卫星传感器、空间预警卫星传感器、主题测绘卫星传感器，红外天文卫星传感器、军用侦察卫星传感器和军用气象卫星传感器等。

（1）地球资源卫星传感器

    　地球资源卫星是目前全世界应用最广的多功能和多用途空间飞行器，它利用所载遥感系统能对地球资源进行勘测，获取地表各类资源的特征及分布情况，对资源开发、国民经济建设极为重要。地球资源卫星常号称商用目的，而实则是军民两用。特别是对于那些分辨率较高的资源卫星，还可以对地面上诸如机场、防空设施、港口、导弹发射基地、铁路网等军事设施进行侦察，对军事地形的测绘，军队和装备的调动进行实时监视等。 “陆地卫星”（LandSAT）、“晨鸟”（Early Bird）、EO-1及 “快鸟”(Quick Bird)等这些地球资源卫星既是军用空间侦察卫星，也是商两用的。

    ①地球观察(EO-1)卫星是美国NASA 新千年计划的一部分，其目的是验证降低成本和改进图像质量的先进技术。2000年11月21日发射，携带有TRW空间电子制作的Hyperion超光谱摄像仪，是推帚式扫描成像仪，地面刈幅7.5km，空间分辨30m(705 km高度)。使用的星载固体图像传感器包括可见光-近红外(VNIR)-短波红外(SWIR)的焦平面阵列传感器。其中，可见光-近红外(VNIR)使用的是60×256元帧转移CCD焦平面阵列，SWIR 阵列是256×256元的HgCdTe器件，其超光谱段多达220个，提供矿产、地质、森林资源和农业的增强遥感数据与Landest-7号卫星增强主题测绘仪(ETM)获取的数据进行比较。图1是Hyperion发回的南澳大利亚地形图像比较。                     

    ②美国“DigitalGlobe”公司研制的“快鸟”分辨率高达63cm,这一迄今为止目前世界上最先进，分辨率最高（竞达到61cm）的空间成像卫星的出现，确实应该引起人们的密切关注。事实上，英、日、法、俄等国也有不少这种卫星在空间运行监视着全球各个地区和角落。然而，没有一个商用卫星有“快鸟”卫星这样先进，分辨率有如此之高，就连法国的Spot卫星也都没有达到“快鸟”的水平。Spot 卫星是世界上早已闻名的商用卫星，而实际上一直在为军事应用作贡献，是一个带有十分浓厚军用色彩的商用卫星，其地面分辨率为5m，而“快岛”却达到0.6m，其分辨率已达到最先进的军用间谍卫星水平。

   　 由于美国的固体图像传感器技术一直处于世界领先地位，其CCD图像传感器的线阵列和TDI-CCD阵列及其芯片拼接技术在多光谱卫星成像技术方面应用十分灵活主动，可实现多达数十个波段的多光谱成像探测、其面阵列可大达上千万元的阵列，可实现全景扫描的大视场传感器应用。这种面阵传感器均可达到极高的分辨率。

     “快鸟”使用全景（黑白）和多光谱彩色近红外传感器，传感器采取推帚扫描方式对地球表面的目标进行摄像，获得的图像存储在星载存储器中，把数据下传给设在地球北极的地面接收站、其特点是：

    ・大面积探测和监视：地面刈幅为16.5×16.5km=272km2，一年中对地球表面的拍摄面积宽达7000万km2，这相当于整个北美洲大陆的3倍，是我国960万km2的7倍以上，这等于一年中将我国的全部国土各个角落都纳入摄像机视场7次。

    ・ 超高空间成像分辨率

    “快鸟”的全景扫描成像传感器最高的图像分辨率达到61cm，而多光谱传感器获得的图像分辨率为2.44m。物理图像尺寸为27552×27424像素，可谓大矣，从卫星上垂直向下观察地球的摄像范围16.5×16.5km，像素深度等级11bit（2048级）；图像信息量极大，建筑物的阴影、明暗部分十分清楚。61cm的分辨率，其分辨精度可清楚地从卫星图像上看出人影，甚至连以前获得的卫星图像也可合起来用于对土地利用分类和地球表面物体进行分析，甚至连正在路上行进中的车辆种类均可判别出来。这一精度不断把民用卫星的图像分辨率提高到了一个新的水平，而且这一分辨率的卫星对军用具有极为重要的价值。表2给出了“快鸟”的主要性能参数，表3出了其适用的范围和领域。

 

 

   　 美国柯达公司研制的星载固体图像传感器，工作于全景模式时采用8000元的CCD长线阵，双芯片光学拼接组合，从460Km高空地面取样宽度为1.0m，地面刈幅宽度为8.0m，64级TDI工作在极低光照条件下摄像；工作于多光谱模式时，采用2000元的可见光硅光电二极管阵列光谱区为蓝、绿、红和近红外四个波段区，高空地面取样宽度为4.0m；工作于超光谱模式时，在可见光～近红外区采用1000×50元的硅可见光焦平面阵列，把0.4µm～1.0µm的光谱区分成了60个连续的波段，而在短波红外区内，采用1000元的短波HgCgTe红外焦平面阵列，在1.0µm～1.75µm的三个光谱区内，其波段多达40个，地面对面取样宽度为8.0Km。

    　法国共成功地发射了四颗“斯波特”（SPOT）新型商业地球资源遥感卫星，目前正在研制第五颗。这种卫星的军民两用性质在伊拉克战争中所起的作用是非常明显的。SPOT-携带两台相同的高分辨率遥感器HRV(High Resolution Visible imagine System)，采用可见光CCD图像传感器，多光谱和全色波段两种工作模式，其地面分辨率高达5m～10m。可见光高分辨率的扫描成像谱仪，属于第二代光机扫描成象仪。由一个瞄准反射镜、准施密特望远镜系统及四个CCD阵列探测器组成。CCD阵列位于望远镜焦平面上，分别工作在绿色500nm~590nm波段、红色610nm~680nm波段、近红外790~890波段及一个全色模式波段510~730nm。在全色波段其地面分辨率高达10m，多光谱波段20m间隔地面取样， HRV采用了新的CCD成像技术并利用推扫原理进行工作，通过安装在仪器焦平面上的CCD列阵，对图像上的各条扫描线进行电子自扫描，通过卫星沿其轨道的运动，可产生沿轨迹方向的连续扫描图像，这样每个地面成像点都可自动达到最长曝光驻流时间，从而大大提高了光谱仪的成像质量。

    　由于HRV工作在可见光波段及近红外区，能满足需要地球自然资源探测需要，但是随着红外焦平面阵列技术的发展， 1998年3月24日成功发射的SPOT-4卫星所携带的成像光谱仪就是高分辨率可见光红外成像仪（HRVIR），增加了一条新的中红外通道，大大加强化了其军用能力。

    　日本、印度等周边国家近年来地球资源卫星的发展也很快。日本地球资源卫星-1(JERS-1)于1992年2月用H-1火箭发射，它是日本的第一颗地球观测卫星服役达6.5年。JERS-1卫星总共提供了30多万幅光学遥感图像，主要用于试验光学遥感器在可见光-近红外-中红外区的工作能力，并进行地球资源综合观测。印度第二代地球资源遥感卫星（IRS-IC、IRS-ID）载有CCD摄像器件的全色相机、四波段多光谱相机和宽视场相机，在太阳同步轨道的地面分辨率达到10m，还可更高。

    （2）海洋监测卫星传感器

    　海洋监测卫星对民用和军用都有极其重要的意义。是对海上活动和海军装备系统进行侦察的卫星。这种星载光电传感探测器能发现舰船及潜艇活动目标，并确定目标具体方位及活动信息，还可负载红外及多光谱扫描传感器。美国从1976年开始发射的“海军海洋监视卫星”（NOSS）（又称“白云”White Cloud和“命运三女神”Parcae），俄罗斯于1974年开始发射的“宇宙号”电子型1号海洋监视卫星（EORSAT），日本1987年发射了MOS-1第一颗极轨对地观测卫星，现已停止工作。1990年2月发射了MOS-1b，传感器是多光谱电子自扫描辐射计和可见光/热红外辐射计，还试用了512×512元的PtSi中波红外焦平阵列传感器，地面刈幅宽100 km×2，1500 km，地面分辨率50 m、900m/27 km、32 km(23 GHz)，其主要任务是海洋观测，如海洋水色，地表水面温度，云和大气水分等，并进行遥感设备和数据应用试验。

（3）早期弹道导弹发射预警卫星

   　 在现在高度发展的导弹技术时代，获得先进的导弹发射攻击告警能力以提供足够的预警时间，采取有效的对抗措施，这对国家的安全和生存是致关重要的，因而大型红外焦平面阵列技术一直是各国获得这种能力的主要选择方案。

    　当今世界上除了美、俄拥有可数次毁灭地球的庞大核武库外，拥有和即将拥有的这种先进战略导弹核武器的国家也在日益增多。由于各种因素导致的突发性事件随时都有可能发生，这种核对抗和冲突是十分可怕的。必须在早期导弹发射时就可根据火箭发动机喷出的热烟雾及时捕获和清楚地分辨出冷发射目标。这种冷的发射飞行器的温度通常约为250℃，而从火箭发动机喷射出来的热羽烟温度高达950℃。根据普郎克黑体辐射理论，二者在4mm波段时的光通比约为25000，而在8.5mm时约为115。因而采取的波段（8mm ~14mm）的红外焦平面阵列就可获得极高的瞬间动态范围，通常为12bits(即4096)。像目前的GaAiAs/GaAs量子阱红外光电探测器焦平面阵列规模大达640´480元，工作波长不但可以是3mm~5mm，8mm ~9mm，还可达到14mm~15mm，不但可单波段工作，而且还可实现双波段工作。事实上美国弹道防御机构在几年前做的专门实验中就用的是长波GaAiAs/GaAs量子阱红外光探测器焦平面阵列摄象机及时捕获和极为清晰地分辨出Delta-2火箭，并获得了非常清晰的图像，如图2所示。 

    　美国空军已选定洛克西德马丁公司的一个承包合同小组。研制新一代星载红外导弹告警系统，为美国及其部署的军队和盟国提供来袭导弹的告警时间，并进行跟踪，安装在五颗地球同步卫星和二颗高轨道卫星上，2000年开始部署低地球轨道卫星，2002年发射地球静止卫星，到2020年完成，传感器有二种，一种负责快速扫描探测出已发射的导弹，另一种为凝视阵列，负责跟踪目标，合同初步金额为18亿美元。为了降低成本，美国陆军和高级研究规划局在发展低成本非致冷红外焦平面阵列技术方面投入了相当多的资金，其目的在于使红外焦平面阵列技术的单价降到300~600美元（而目前的大型凝视阵列数万美元），从而使新一代导弹攻击告警系统（MAWS）的成本降到10万美元，而目前致冷焦平面阵列同类系统的标价为50万美元。由俄亥俄州赖特实验室发的二项研究计划分别为“强干扰中的探测（DICE）和用作告警传感器的低成本阵列（LAWS）。赖特、洛克希德、桑德斯、尼科尔斯研究和大西洋航空航天电子设备公司几家承包负责信号处理计划（DICE），提高红外导弹告警系统除去干扰的能力，洛克希德、桑德斯、德克萨斯仪器公司负责研究这种LAWS阵列，这种技术还适用于各种飞机。由于这种阵列的灵敏度不及制冷红外焦平面，将采用信号处理和加大非制冷红外焦平面阵列的阵列规模弥补其不足，美军的该计划已于1997~1998年间开始实施。美国现役弹道导弹预警卫星上的红外探测器长3.6m，孔径0.91m，探测器阵列元数由6000元的 PbS和HgCdTe的红外探测阵元组成，对导弹发动机尾焰波长2μm～7μm的红外辐射极其敏感。当卫星以5r/min～7r/min的速度自转时，其每隔8s～13s就可对地球表面1/3的区域重复扫描一次，通过连续扫描测出弹道导弹的位置和移动方向。将于2006年部署的美国天基红外导弹预警卫星系统(SBIRS)，由高轨道卫星和低轨道卫星组成。SBIRS系统采用24000个HgCdTe元组成的线阵和面阵列凝视成像焦平面红外探测器，其长波红外探测器在外层空间对弹道导弹助推段的探测能力达300km。

（4）天文探测空间传感器 

    　天文探测一直是大国和强国实力的标志，是大国激烈竞争的又一个领域， 先进的红外焦平面阵列传感器将为人类的太空天文探测提供更为先进的手段。目前在许多空间探测器上已安装上先进的红外传感器。.虽是科学探索，但却具有重要的军事意义， 例如，美国1994年1 月25日发射的“克莱门廷”（Clementine）月球探测卫星，也主要有军方使用，验证其反导系统所用紫外、可见及红外各谱段成像传感器在太空环境中的性能。随着微电子技术和固体图像传感器技术，特别是红外焦平面阵列技术的飞速发展，长线阵和大格式多元阵列的应用使该领域的获得了更加进的手段。　　

   　 日本九十年代就已发射了搭载红外焦平面阵列的红外天文卫星，已完成了对2004年发射新的一颗ASTRO-F红外天文卫星搭载的近红外和中红外焦平面阵列作了评价。ASTRO-F卫星是日本的第一颗完全用于红外天文学的天文卫星。该卫星上装载的红外摄像机（IRC）将在2µm～26µm波长范围进行成像和光谱观测。该红外摄像机将包括三个通道：近红外通道（2µm～5µm）、中红外S通道（5µm～12µm）和中红外L通道（12µm～26µm）。近红外通道采用一个512×412元InSb阵列，中红外S（MIR-S）通道和中红外L（MIR-L）通道则都使用256×256元Si:As IBC阵列。这些阵列都是由美国雷声IRO公司制造的。

   　 美国在发展这种红外天文卫星用低背景红外焦平面阵列技术方面进展特别快，已发回了不少有关我们所在太阳系遥远行星和月球的照片，如几年前获得的有关彗星撞击木星的红外天文照片。美国航天局的哈勃（Hubble）空间望远镜是目前使用红外摄像传感器最为先进的空间探测器。图3是夏威夷凯克天文台用InSb阵列摄得的休梅克-利瓦伊彗星撞击木星的一系列红外图像中的二张照片。

   　 洛克威尔科学中心和夏威夷大学已于1999年研制出了世界上最大的两种2048×2048元短波（SWIR）和中波（MWIR）HgCdTe红外焦平面阵列，其光谱响应范围分别为0.85µm～2.5µm和0.4µm～5µm，其名字叫HAWAII-2的这种阵列性能与早期研发的HAWAII1024×1024元的阵列类同，量子效率为>75%，暗电流低达<0.01电子／秒，两个波段的噪声电平分别为<3电子和<10个电子，其设计规格为0.8µm，并用二个2048×2048元可见光阵列和二个2048×2048元红外焦平面阵列分别拼接出4096×4096元的大型阵列。

四、星载固体光电子图像传感器应用的发展趋势

    　由于固体图像传感器阵列器件技术的迅速发展和成熟，焦平面阵列技术已从可见光-近红外波谱区发展到了短波红外、中波红外和长波红外区，为空间星载固体光电子图像传感器应用发展与相关系统设计提供了可靠的支撑技术。

1、可单芯片和多芯片线阵列和TDI阵列的芯片拼接和光学拼接，实现数千、上万乃至数万像元的特长阵列空间传感器，如加拿大的DLSA公司制作的单个和多个2048×96、2048×144和4096×96的拼合起来的星载或机载推帚式扫描传感器；

2、已实现了特大型的大格式和大视场高分辨率的空间图像传感器，如2048×2048、4096×4096和6144×6144元的阵列；

3、已从可见光―近红外波谱区发展到了短波红外(SWIR)、中波红外(MWIR)和长波红外(LWIR)区，如可见光硅CCD、CMOS图像传感器阵列器件、InGaAs、PtSi、HgCdTe、InSb和GaAlAs/GaAs等近红外、短波红外、中波红外和长波红外焦平面阵列，甚至HgCdTe低背景阵列已达到了2048×2048元，预期不久会出现4096×4096元的阵列；

4、目前的固体摄像阵列用作星载全景扫描和多光谱图像传感器是非常成功的，其商用传感器系统的分辨能力已逼近最先进的10?M军用分辨能力；超光谱图像传感器应用也在迅速取得进展，2000年11月21日发射的地球观察(EO-1)卫星携带的Hyperion超光谱摄像仪是TRW空间与电子为NASA Goddard空间飞行中心制作的，其超光谱波段多达220个，从0.4µm～2.5µm的宽谱区内各波段窄达10nm；

5、星载固体光图像传感器的光谱复盖区已从可见光、近红外发展到了短波红外和中波红外区，预期这方面的应用发展会加快；

6、正在发展更窄光谱的超超光谱星载图像传感器技术。

五、结语

   　 空间探测技术对商用和国防军用都具有极为重要的意义，竞争极为激烈。可见光硅CCD、CMOS图像传感器阵列器件、InGaAs、PtSi、HgCdTe、InSb和GaAlAs/GaAs等近红外、短波红外、中波红外和长波红外焦平面阵列空间传感器的迅速发展和成熟对空间探测技术的发展产生了深远的影响，为该领域的应用提供了可靠支撑技术；目前的星载全景扫描和多光谱图像传感器是非常成功的，其商用传感器系统的分辨能国力已逼近最先进的10?M军用分辨能力；超光谱图像传感器应用也在迅速取得进展，其光谱范围已从可见光、近红外区延伸到短波红外、中波红外和长波红外区；正在发展超超光谱星载图像传感器技术。