基于VOx非致冷探测器的红外地球敏感器探讨

刘 科，梅志武，涂智军

(北京控制工程研究所，北京 100190)

红外地球敏感器是对地定向卫星、飞船等航天器姿态控制系统的重要测量部件.到目前为止，红外地球敏感器的主流产品是扫描式红外地球敏感器，按照其扫描方式分为圆锥扫描红外地球敏感器、双圆锥扫描红外地球敏感器、摆动扫描红外地球敏感器和自旋扫描红外地球敏感器等.相比于扫描式红外地球敏感器，静态红外地球敏感器无机械转动部件，光机结构相对简单，大大提高了整机的寿命和可靠性，且敏感像元“看到”测量对象的时间长，可达到较高的灵敏度.随着技术的不断进步，光学姿态敏感器朝着更小、更轻、更低功耗、更高精度和具有更高数据刷新率的产品发展，采用成像器件是红外地球敏感器发展的必然趋势.

由于传统红外探测器件的制约，过去静态红外地球敏感器在性能方面表现不佳，没有形成主流产品.主要是器件工作波段问题，绝大部分成熟的红外地球敏感器产品测量地球红外辐射比较稳定的CO2吸收带，波段范围约为14μm～16μm.其他波段的地球红外辐射随经纬度和时间的变化较大，不适合作为测量对象.可以工作在此波段范围内且在航天产品上有所应用的探测器有单元式热敏电阻探测器、热释电探测器和热电堆探测器.其中热释电器件需要光调制，不能取消运动部件，使用复杂.热电堆探测器由于市场需求不大，以及工艺、成本及工程实现等原因造成了其发展缓慢，而且像元数较少，分辨率不高，影响红外地球敏感器的测量精度，未能形成主流产品.

近期发展较快的非致冷红外焦平面探测器属热敏电阻型阵列器件，因此在14μm～16μm波段范围内有较高的响应率，而且后端电路可以采用大规模CMOS集成电路，非常适合研制重量轻、体积小、功耗低、寿命长的静态红外地球敏感器.这种器件根据热敏材料的不同可分为VOx(氧化钒)非致冷红外探测器和α-Si非致冷红外探测器.α-Si材料的处理工艺相对比较复杂.VOx是目前采用最广泛的材料，国内相关的器件研究单位大都投入到了VOx非致冷红外探测器的研制，今后有望改善中国在该类器件采购方面受制于人的困境.

1 静态红外地球敏感器工作原理

红外地球敏感器获取地球红外辐射圈上3个或3个以上点的位置便可计算出地球圆盘的圆心位置，进而得到卫星俯仰角和滚动角.静态红外地球敏感器中的红外焦平面探测器通过光学系统对地球红外辐射圈成像，经过内部信息处理系统检测到地球辐射圈边缘点位置，计算出地球辐射圈圆心位置和卫星姿态角，其功能框图如图1.

图1 静态红外地球敏感器内部功能框图

图中驱动电路为探测器提供驱动时序控制和数据读写控制.探测器输出的模拟电压信号经过放大和A/D转换后输入到存储器中，信息处理电路完成图像除噪和去干扰、探测器非均匀校正、盲元修补、地球红外辐射圈边缘点提取、姿态角计算、与地面检测设备和星上控制计算机进行数据传输等功能.

2 VOx非致冷红外探测器

与传统致冷型红外焦平面探测器相比，非致冷红外焦平面探测器不需要配备致冷器，器件质量轻、体积小、寿命长、功耗小，满足了民用、军用和宇航红外系统对长波红外探测器的迫切需要.

2.1 器件工作原理

VOx非致冷红外探测器光敏元的生成采用了在读出电路上生长制备热敏电阻材料(电阻温度系数TCR为－2% ～－3%/K)及红外辐射吸收层的方法.当红外辐射入射到器件光敏面时，吸收层吸收红外辐射产生温度变化，这种温度变化传递给热敏电阻材料造成其阻抗改变，通过读出电路将阻抗的改变转化为电压或电流的变化输出［1］.由于光敏元直接在读出电路上生长，因此不需要采用焦平面和读出电路的倒装焊互联工艺，降低了封装复杂性和成本，在简化器件制备工艺的同时提高了器件可靠性.

根据器件工作原理可知，探测器的性能与吸收层的红外吸收效率、VOx材料与周围材料的热传导、光敏元填充率等有关.提高产品性能的方法除了选择合适的材料之外，还可以通过合理设计像元微结构来达到目的.VOx非致冷红外探测器芯片采用了MEMS微桥结构，由桥腿支撑的桥面悬浮于衬底上方，完成良好热隔离的同时实现了热敏电阻材料与衬底的电接触.

Honeywell公司在1993年开发出第一只单层I型桥腿结构的VOx非致冷红外探测器，其像元结构如图2所示.其后，多家公司购买该公司专利技术进一步研发出多个系列的探测器产品.通过雷声公司、ITC、DRS、BAE Systems等公司的改进和提高，VOx非致冷红外探测器又发展出了双层微桥等结构，其产品性能获得了极大提高.

图2 单层I型桥腿微结构示意图

2.2 单层微桥结构产品性能

BAE Systems公司是全球最大的VOx非致冷红外探测器供应商，月产量超过1000片.其典型产品SCC500系列的性能参数见表1［2-4］.

表1 SCC5OO系列主要性能参数

以色列SCD公司具有代表性的产品型号为BIRD640，像元尺寸 25μm，帧频 60Hz，NETD ﹤50mK，常温下工作寿命为15年，经受了温度循环和随机振动试验考核［5］.

Boeing公司U3000系列产品阵列规模为320×240，像元尺寸51μm ，NETD ﹤100mK，帧频60Hz，时间常数25ms，工作温度 －37℃ ～+50℃.由于采用了偏移补偿和温度补偿响应技术使得器件无需温度补偿，从而降低器件功耗［6］.

2.3 双层微桥结构及产品性能

雷声公司产品采用了一种双层微桥结构(见图3)，该结构极大的降低了热传导并提高光敏元填充率，像元中心距最小已达到17μm，帧频由最初的30Hz提高到60Hz.其640×480阵列探测器外观尺寸为2.5″×2.5″×1″(单位英寸)，功耗﹤ 3W.该公司与美国军方及航空航天局合作项目中开发的640×512阵列，像元中心距20μm，NETD﹤30mK，非均匀性＜4%［7-8］.图4所示为雷声公司产品成像效果图.

2.4 伞状结构及产品性能

DRS(原Boeing)研制的VOx非致冷红外探测器采用双层伞状结构，见图5.该公司产品可承受20倍重力加速度及20kHz振动，常温工作寿命10年，两种具有代表性的VOx非致冷探测器主要参数见表2［9］.

图5 伞状双层微桥机构扫描电镜图

表2 DRS公司典型产品性能参数

2.5 缠绕型桥腿结构及产品性能

美国ITC公司器件采用改进型单层微桥结构，见图6.该种结构采用增加桥腿长度的方法降低了热传导，使器件性能得到提高［10］.ITC主要产品参数见表3.

图6 采用缠绕型桥腿设计的单层微桥结构扫描电镜图

表3 ITC公司产品研制时间及主要性能参数

3 基于VOx非致冷红外探测器的静态红外地球敏感器

如前面章节所述，由于使用相对简单、适用多个波段、市场需求大，VOx红外探测器近年来取得飞速发展.该类器件在14μm～16μm波段范围内有较高的响应率、不需要致冷、读出电路采用CMOS集成电路、像元数高，是发展静态红外地球敏感器一种较为理想的器件.

采用VOx红外探测器的静态红外地球敏感器可分为面阵式和线阵式两种.面阵式静态红外地球敏感器测量角度范围大，对整个或部分地球红外辐射圈成像，通过图像处理可以提取到地球辐射圈的边界，采取最小二乘法等算法可以获得姿态角信息.这种测量方式最大的特点是其获取了整个地平圈的图像，信息量丰富，姿态信息处理方法灵活，可以减小单个像元噪声的影响.但地球CO2红外辐射圈不是一个理想的圆且其轮廓随不同经纬度、不同季节变化，因此要想获取较高精度，面阵式静态红外地球敏感器必须以地球辐射的精确模型为基础，对地球辐射圈轮廓的不确定性造成的姿态角测量误差进行补偿修正.面阵式静态红外地球敏感器具备一定的卫星光学有效载荷功能，它能够实时测量14～16μm波段地球红外辐射圈图像，对地球辐射模型的完善提供数据支持，为进一步提高静态红外地球敏感器测量精度打下基础.此外，与地球红外辐射相比，一些飞行物如导弹有更明显的红外辐射特征，在敏感器视场内能够探测到这些物体的移动.美国洛克希德-马丁公司应用Boeing公司的U3000系列探测器研制了面阵式静态红外地球敏感器［11］.法国CNES研究机构的 MIRES也采用了阵列规模为320×240的VOx红外探测器，其地面测试精度为0.07°左右(3σ)，功耗小于 2W［12］.

线阵式静态红外地球敏感器将地球辐射边界成像在光学系统的焦平面上，经过处理后获取地球辐射边界在像面上的精确位置.一个线阵阵列只能获取地球辐射圈上一个点的位置，因此线阵式测量系统必须组合使用，组合方式可分为两种:一种是多个线阵阵列呈一定夹角共用同一个大视场的光学系统，通过对各个阵列图像的处理获取地球辐射圈上多个点的位置;另一种是一个探头内仅有一个线阵阵列的单线阵式红外地球敏感器，通过多个探头的组合获取多个地平点的位置便可计算出两轴的姿态.前一种组合方式的光机结构与面阵式静态红外地球敏感器类似，但获取的信息量少，而且器件的结构需要特殊设计.后一种组合方式中探头光学系统视场角可大幅减小，相比应用于低轨道卫星的面阵式红外地球敏感器140°左右视场角，这种线阵式红外地球敏感器光学系统视场角仅为20°左右，受遮挡影响小，对星上安装的要求低.系统配置更加灵活，增加探头的个数还可以提高姿态信息的冗余度，增强姿控系统的可靠性.虽然该种产品测量角度范围小，获取的地平圈位置信息少，但光机电结构复杂度、体积、质量、功耗和成本方面相比面阵式红外地球敏感器更占优势，其姿态角测量误差可以根据公开的地球边缘辐射分布数据进行一定的修正.综合考虑性能和价格，单线阵式红外地球敏感器非常适合于对成本敏感、精度要求不高的微小卫星使用.加拿大INO公司设计生产了专门针对纳星应用的单线阵式VOx红外地球敏感器，单个探头的质量小于100g［13］.

4 结束语

自1993年出现第一支VOx非致冷红外探测器以来，世界各国的研究机构都意识到了此种红外探测器所具有的优势并纷纷投入到对该器件的研制开发中来，出现了多种阵列微结构形式.器件像元尺寸迅速减小，性能大幅提升.部分产品具备较宽的工作温度范围，通过了一定的力学环境试验，具备了应用于航天产品的条件.

静态红外地球敏感器是光学敏感器的重要发展方向，它能够有效弥补现有使用动态扫描机构的主流产品在寿命、可靠性和重量体积上的不足.VOx探测器是非致冷红外器件的主流产品，发展十分迅速，能满足静态红外地球敏感器所用探测器对波长、重量、功耗等方面的要求.

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