温度变化对星载HgCd Te红外探测器性能影响分析

雷武虎，唐进迎，王 迪，骆 盛

（国防科技大学，安徽 合肥230037）

0 引言

星载的HgCd Te红外探测器由于能探测导弹主动段尾焰而广泛应用于导弹预警和拦截，红外成像系统主要是利用目标与背景各部分辐射温度存在的差异，对感兴趣的目标产生不同对比度图像而生成的热效果图。弹道导弹在发射的主动段将产生明显的红外辐射特征，考虑地球背景和大气辐射窗口，星上HgCd Te红外光学探测器一般工作于红外中波段，而该波段的光学探测器通常需要工作在低温环境条件下，温度的变化影响着HgCdTe红外探测器的工作性能。

航天光学遥感器在轨运行过程中，其所处的热环境在不断变化，自身的发热也在不断变化，如不采取措施可能会导致其内部温度环境发生较大波动，从而影响其正常工作。若星载红外光学探测器的内部温度波动较大，可能会影响其空间性能、辐射性能和几何性能。特别是对于工作在热红外谱段的HgCd Te探测器，内部环境温度变化会对辐射性能产生影响。例如温度升高使探测器等效噪声温差产生变化，影响目标信号与背景噪声的识别，引起成像质量变化，进而导致对导弹等红外目标的判断延误，直接影响着导弹拦截所应该保留的预拦截时间，给作战部署和国家安全带来隐患。因此，对卫星所处的空间温度环境进行分析，研究星上HgCd Te红外探测器性能随温度变化规律显得尤为重要。

1 卫星温度环境

卫星的热平衡是温度分析的基础，卫星的温度变化均来自于空间的热辐射，对于在轨运行的卫星而言，总的能量关系如图1所示。

图1 卫星热平衡示意图

图1中Q1为太阳直接加热，Q2为太阳反照加热，Q3为地球红外加热，Q4为地球背景加热（很小，可忽略），Q5为卫星内热源，Q6为卫星向宇宙辐射，Q7为卫星内能变化。

卫星热真空环境的能量来源主要是太阳的电磁辐射和地球大气系统发射出的热辐射，而地球以及空间的辐射可看做背景温度为3.4 K的冷空背景。因此太阳的辐射到卫星表面的热流是卫星温度变化的主要来源。

天基红外系统SBIRS主要载荷为星载红外探测器，包含SBIRS-High和SBIRS-Low2部分，SBIRS-Low从SBIRS系统中分离出来，改名为STSS，以STSS的近地轨道小卫星为研究对象，分析其受到的太阳照射变化。轨道设置参数为：起始精度为0°，轨道高度为1 600 km，轨道类型为圆形，倾角为0°。

太阳光线不是真正的平行的，在地球附近其发散角约0.5°，在热分析中，一般可认为是平行光束。按地球离太阳一个天文单位（1 AU）计的大气层外太阳辐射强度（太阳常数），不同距离的太阳强度可按下式计算：

式中，q=3.826×1026W。到达卫星某一表面的太阳辐射与阳光和该表面发现之间的夹角有关：

式中，cosβS即太阳辐射角系数，βS为阳光和受照表面法线方向的夹角[1]。

选取2018年4月21日一天作为研究时间起始，通过STK进行仿真得到的太阳照射时间数据如图2所示。

可见，由于轨道高度较低，一天之内将绕地球13圈，而这个过程中，太阳对于卫星的照射也循环出现，一天之内的照射时间与取的起始时间相关。照射时间分布图如图3所示。

由图可知，卫星围绕地球运行一圈过程中，太阳对于卫星的照射总体呈现均匀分布，卫星运行一周内受太阳单个照射周期内时间占总时间的5.8%，阴影区占2.4%。

取太阳强度q=3.826×1026W为100%，以卫星作为整体，星上太阳照射强度随时间的变化情况如图4所示。

可见太阳对于卫星的照射呈现周期性变化，在地球阴影区的时间占据少部分（2.4%），1天之内出现了13次的太阳照射。文献[2]对卫星3个周期内的隔热组件和表面温度进行了分析，发现在+Z面的温度变化最明显，在300 K的初始温度下，+Z面的温度波动达到约100 K。对于制冷型HgCd Te红外探测器而言，若热平衡控制系统设计不当、损坏或者外力破坏卫星的热控制系统，如此大的卫星温度波动将是致命的。

2 HgCd Te探测器温度特性

通常目标辐射源可视为面积为As的有限辐射源，目标辐射源的辐射率是波长和辐射源温度的函数，即该辐射源向单位面积单位立体角（Ω）所产生的辐射通量（Φ）：

噪声等效温差是一个用来衡量红外热成像系统灵敏度的参数，也为红外系统的温度灵敏度。定义是：在视场中产生的输出信号值等于噪声均方根值时，目标和背景之间的温差，就是系统能够识别的最小信号值[3]，等效噪声温差（NETD）一般也定义为系统噪声均方根值VRMS和信号传递函数（SiTF）之比：

其中信号传递函数为：

图2 太阳照射卫星时间数据

图3 照射时间分布图

图4 照射强度随时间变化示意图

式中，R(λ)代表系统响应率，Ad为红外探测器光敏面积，F为光学透镜F数，Me(λ,T)为目标辐射出射度，τSYS(λ)代表系统对不同波长的通过率。

背景限噪声等效温差表达式为[4]：

式中，Δfn为带宽，在截止波长以内时归一化探测率D*(λ)=(2.35λ-1.34)×108，取 中 波 长3～5μm波段，取探测器的探测率为0.9，带宽即0.53×1014Hz，取单个光敏元为50μm×50μm，排列为1 024 K×1 024 K的面阵探测器，光学透过率为τ0=0.9。F数取212，则通过仿真得到的红外探测器NETD随温度变化的曲线如图5所示。

由图5中曲线可知，红外探测器件的NETD随着温度的升高而升高，开始时的升高较明显，NETD变化率达到25.87%，在低温区NETD随温度变化是较高的。可以推测，在更低温度，例如典型的InSb等需要在极低温工作的红外探测器，其NETD随温度变化的程度将更剧烈。随着温度的升高，由于温度带来的NETD变化逐渐减小，因此高温区温度对红外探测器的成像影响较小。

图5 等效噪声温差NETD随工作温度变化曲线

3 HgCd Te探测器距离特性

目标辐射出射度的关系式为：

式 中c1=3.741 8×10-16W·m2，c2=1.438 8×104μm·K。

依然根据式（6），取温度为定值297 K。将目标的辐射理想化，按照球形向外辐射，在距离目标R时，目标的辐射出射度为：

则此时得到的HgCdTe红外探测器的NETD随距离的变化曲线如图6所示。

图6 等效噪声温差NETD随距离的变化情况

可见，随着与目标距离的变化，HgCd Te红外探测器接收到的目标辐射度将降低，从而导致等效噪声温差随着距离的增加而增加，在前20 km，等效噪声温差急速增加，距离每增加10 km，NETD将增加20 mK；在距离增加约25 km时，噪声等效温差增量将达到最大50 mK。NETD增加带来的直接效果就是目标与背景的可检测度减小。例如，原红外探测器的NETD为10 mK，即目标与背景辐射强度温差在10 mK以内即可识别，但是，如果因为某种原因使红外探测器的NETD增加至20 mK，背景辐射强度不变，需要目标的辐射强度更大才能实现探测。因此，在目标辐射强度不变的情况下，需要距离目标更近时才能实现红外探测器成像探测，缩短了预警拦截导弹的反应时间。

根据文献[5]的描述，当红外探测器输入为信号加噪声时，得到的红外探测器发现概率为：

式中，V0为噪声幅值，取3,。A为信噪比，即SNR为：

式中，τa为大气对红外辐射的透过率（此处研究对象为导弹，飞离大气层过程，不考虑大气τa=1）。C为引入的特征参量，与红外探测器本身特性相关。

NA为数值孔径，D0为系统的通光孔径，ω为瞬时视场角，Δf为等效噪声带宽。

设定参数为：探测波段为3～5μm，瞬时立体角为1.5°×1.0°的1 024 K面阵探测器，通光孔径为100mm，归一化探测率为5.005×108m·Hz1/2·W，噪声等效带宽为2 k Hz，光学透过率τ0取1，则系统特征参量为3.699 1 km·W-1/2。根据参数仿真的结果如图7所示。

图7 HgCdTe红外探测器发现概率随距离的变化曲线

由图7可知，随着探测距离增加，红外探测器的探测率从40 km处至60 km处是急速降低的，当目标与探测器距离增加至80 km时，探测率下降至0.1，导致探测漏警率升高。

4 结束语

通过对卫星空间热环境的分析和探测器NETD随温度、距离特性的仿真，获得了HgCd Te红外探测器在工作温度升高时、探测距离变化时的性能变化情况。通过分析发现，温度的升高使HgCdTe红外探测器的NETD升高，对比目标与HgCdTe红外探测器NETD随距离的变化关系曲线可知，HgCd Te红外探测器的工作温度升高导致了探测距离的变化。而一定距离下，探测器性能一定时，探测概率随着探测距离的增加是降低的，因此HgCdTe红外探测器的工作温度间接导致了漏警率的升高。而且探测器的工作温度变化不仅会影响探测距离，还会引起成像质量、成像视场角等器件特性的变化，还需要进行更深层次的研究。