自五十年代末蘇聯(lián)發(fā)射世界上第一顆人造地球衛(wèi)星以來(lái)，世界各先進(jìn)國(guó)家都爭(zhēng)相發(fā)展太空飛行技術(shù)，到二十世紀(jì)末期，已發(fā)射空間飛行器5000余顆。其中，70%是在和平利用空間的民用技術(shù)招牌下進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，純軍事應(yīng)用占近1/3。但是由于民用中有相當(dāng)大的比例為軍民兩用型，如有名的法國(guó)“斯波特”（SOPT）衛(wèi)星和美國(guó)的地球觀察衛(wèi)星（EO-1），陸地衛(wèi)星（Landsat）和“快鳥(niǎo)” （QuickBird）等，所以，事實(shí)上軍用航天器估計(jì)要占多達(dá)2/3的比例。空間技術(shù)已成為象征著強(qiáng)國(guó)的標(biāo)志，并充滿著火藥味。在軍事目的應(yīng)用的強(qiáng)烈牽引和各國(guó)軍界雄厚資金的資助驅(qū)動(dòng)下，全球空間技術(shù)的發(fā)展成了二十一世紀(jì)令人極為矚目的目標(biāo)。

　隨著八十年代和九十年代光電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使固體可見(jiàn)光圖像傳感器和紅外焦平面陣列熱攝像圖像傳感器技術(shù)不斷地突破技術(shù)難關(guān)，發(fā)展成熟，迅速地用作空間技術(shù)的各種星載光電子圖像傳感器，航天敏感器技術(shù)發(fā)展到了一個(gè)新的階段，對(duì)空間技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。本文主要評(píng)述固體光電子圖像傳感器技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢(shì)，以及在航天星載方面的應(yīng)用。

二、固體光圖像傳感器的器件技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

1、固體光攝像器件—理想的星載光圖像傳感器

　 固體光電子圖像傳感器技術(shù)包括可見(jiàn)光硅圖像傳感器和短波、中波和長(zhǎng)波紅外焦平面陣列技術(shù)。由于圖像傳感器器件的不斷發(fā)展，目前的固體圖像傳感器從可見(jiàn)光和近紅外波段的CCD器件發(fā)展到了短波、中波和長(zhǎng)波紅外焦平面陣列。與星載反束光導(dǎo)攝像管相比起來(lái)，由于固體圖像傳感器具有一系列優(yōu)點(diǎn)，非常適用于用作空間星載圖像傳感器，如：

（1）體積小，重量輕；
（2）無(wú)圖像扭曲；
（3）光響應(yīng)工作波段寬，可見(jiàn)光硅CCD和CMOS圖像傳感器的光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)延伸到紅外區(qū)，而紅外焦平面的光譜響應(yīng)波段覆蓋了從1mm～14mm和遠(yuǎn)紅外更寬的電磁波譜區(qū)；
（4）高分辨率，可在焦平面上集成數(shù)十萬(wàn)、百萬(wàn)乃至千萬(wàn)像元的大格式陣列、實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)空間傳感器；
（5）同焦平面信號(hào)處理，像CCD、CMOS和各種紅外焦平面陣列器件，由于微型加工技術(shù)的發(fā)展，可采用混合式或單片集成方式把焦平面上光電轉(zhuǎn)換的焦平面探測(cè)器陣列與信號(hào)處理電路集成微小的集成電路塊，實(shí)現(xiàn)同焦平面信號(hào)處理；
（6）采用電子自掃描或凝視工作模式工作，簡(jiǎn)化和完全取消機(jī)械掃描，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化和微型化；
（7）低功耗工作，數(shù)伏電壓下即可工作；
（8）低成本；
（9）可靠性高。

　總之，小型化的小體積、輕重量、低功耗、低價(jià)格和高性能、高可靠性的固體空間光圖像傳感器為空間系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了極大的靈活性。

2、可見(jiàn)光固體圖像傳感器

　可見(jiàn)光固體圖像傳感器已使成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了小型、低功耗、低成本和便攜式應(yīng)用、使成像系統(tǒng)技術(shù)了發(fā)生了革命性的變化。盡管迄今為止已發(fā)展了多種固體攝像器件，然而CCD器件和已在快速發(fā)展的CMOS圖像傳感器卻占據(jù)了整個(gè)該領(lǐng)域的95%的份額，CMOS是繼CCD之后的后起之秀。

（1）圖像傳感器件

　 CCD圖像傳感器件技術(shù)已發(fā)展了三十多年，早已是成熟和普及應(yīng)用到各種軍用和民用系統(tǒng)的器件，在紅外焦平典型面陣列技術(shù)實(shí)用化之前很長(zhǎng)一段時(shí)間極受軍用重視，目前仍在可見(jiàn)光波段廣泛采用。

　 ①像元集成度：攝像陣列像元的多少是攝像系統(tǒng)分辨率性能的關(guān)鍵性因素，目前的CCD器件已可根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用目的要求同芯片集成或多芯片拼接，或多器件組合成任意像素?cái)?shù)的器件。

· 線陣：常用單芯片像元集成度為512、1024、2048、4096、5000、7450和8000等；多芯片像元集成是用二個(gè)或多個(gè)單線陣芯片組合起來(lái)形成數(shù)萬(wàn)像元的特長(zhǎng)線陣列，常用作星載或機(jī)載多光譜傳感器；

· 時(shí)間延遲與積分(TDI)陣列：常用的單芯片是2048×96、2048×144和4096×96的陣列；多芯片是用多個(gè)單芯片拼合起來(lái)，常用作星載或機(jī)載推帚式掃描傳感器，加拿大的DLSA公司制作的這種傳感器在全球很有名；

· 面陣列：大格式陣列像元集成度為1024×1024、2048×2048、4096×4096 少數(shù)如科學(xué)研究和天文應(yīng)用方面陣列達(dá)7000×9000、8192×8192和9126×9126元，最大的9126×9126元陣列是美國(guó)Farchild Imaging公司研制的；

②像元尺寸：CCD的像元尺寸不能太小，過(guò)小將影響曝光性能，目前的大格式陣列像元尺寸已小達(dá)7.0mm×7.0µm；

③靈敏度，通常為幾個(gè)Lux~Lux-1，加上增強(qiáng)器處于微光工作模式時(shí)為L(zhǎng)ux-3；采取冷卻時(shí)為L(zhǎng)ux-5~Lux-7；

④分辨率：大型陣列通常的電視分辨線為＞1000×1000TV線，根據(jù)系統(tǒng)要求可更高，光學(xué)尺寸通常為2/3、1/2、1/3、1/4in.，目前最小已做到1/7in.。

（2）CMOS圖像傳感器件

　由于CMOS圖像傳感器件與CCD相比功耗更低，可實(shí)現(xiàn)極高幀速工作和低成本化，.成本僅為CCD的1/4，因而發(fā)展極快，可能最終在某些領(lǐng)域取代CCD。

① 像元集成度：由于器件技術(shù)的進(jìn)展，目前的像元集成度常用的為幾十萬(wàn)到100萬(wàn)像素，如512×480和1280×1000，已能制出4096×4096和6144×6144元的陣列；

② 像元尺寸：由于制作技術(shù)的不斷改進(jìn)，像元尺寸已可小達(dá)3.3mm×3.3mm；

③ 高靈敏度：在近紅外光譜區(qū)（900nm）光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)50%；

④ 寬動(dòng)態(tài)范圍：CMOS的動(dòng)態(tài)范圍通常為60dB以上，已達(dá)到170dB；DALSA CMOS-1M28/1M751024×1024元攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍也高達(dá)1,000,000:1。

⑤ 高幀速和超高幀速：隨著CMOS圖像傳感器技術(shù)的發(fā)展，2003年中不斷報(bào)道了高幀速和超高幀速CMOS圖像傳感器，美、日公司在高幀速工作方面取得了顯著的進(jìn)展.。DALSA和紅湖公司的CMOS圖像傳感器幀速竟然高達(dá)100000frame/s。

⑥ 功耗：CMOS最明顯的特點(diǎn)是低功耗，目前高幀速工作時(shí)僅為50mW。

（3）趨勢(shì)

　 CMOS圖像傳感器是目前和未來(lái)該領(lǐng)域正在發(fā)展中的主流技術(shù)。CCD主要是在應(yīng)用上想辦法，根據(jù)不同的應(yīng)用目的和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案組合應(yīng)用。由于CCD圖像傳感器技術(shù)極為成熟， 預(yù)期最終CMOS圖像傳感器難以取代CCD圖像傳感器，將是二者長(zhǎng)期共存的局面。但是， CMOS圖像傳感器具有成本低、集成度高、低功耗的突出優(yōu)點(diǎn)，如果再解決了影響性能和圖像質(zhì)量的噪聲問(wèn)題，CMOS就將成為極佳選擇。

3、紅外焦平面陣列

　 紅外焦平面陣列技術(shù)的發(fā)展已引起了商界和軍界軍火商的極大關(guān)注。紅外焦平面陣列技術(shù)對(duì)軍事裝備更新?lián)Q代的深遠(yuǎn)影響正在改變現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)的特點(diǎn)和概念。

　 剛結(jié)束的伊拉克倒“薩”戰(zhàn)爭(zhēng)再次顯示了在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中高技術(shù)含量越來(lái)越重要。美英聯(lián)軍一是靠高性能的空間偵察衛(wèi)星、U-2高空偵察機(jī)和“食肉者”武裝偵察機(jī)等獲取伊拉克地面的目標(biāo)信息，二是靠先進(jìn)的導(dǎo)彈、炸彈對(duì)所定目標(biāo)精確打擊，三是靠新一代的夜視裝備夜間行軍作戰(zhàn)。這場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)中的高技術(shù)含量中，紅外熱成像裝備就是其中之一，而且顯得非常突出。

（1）新進(jìn)展

　 空間應(yīng)用對(duì)設(shè)備提出了苛刻的條件要求：重量要輕、體積小便于使用和攜帶，高性能、穩(wěn)定、工作環(huán)境溫度、全天候、特別是黑夜條件下的應(yīng)用、可靠等。今天的紅外焦平面陣列技術(shù)的發(fā)展已滿足了上述的苛刻要求：

① 高溫工作

　 從太空和軍事應(yīng)用的角度來(lái)講，不受環(huán)境溫度變化影響和制約的裝備易于獲得穩(wěn)定的性能，是極受歡迎的。目前的光量子類(lèi)紅外焦平面陣列，如PtSi，InSb，HgCdTe和GaAlAs/GaAs量子阱等都是已投產(chǎn)和準(zhǔn)備投產(chǎn)的品種，用杜瓦瓶液N2致冷或小型斯特林致冷器和電子致冷器均可滿足≥77K的工作溫度條件，通常為80K，最終目標(biāo)是240K。而1~3mm波段的InGaAs焦平面陣列則可不用致冷在室溫下穩(wěn)定工作；以VOx為代表的非致冷長(zhǎng)波紅外焦平面陣列技術(shù)的發(fā)展已實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)波紅外攝像不用致冷工作。

②高像元分辨率

　高像元分辨率是系統(tǒng)中最優(yōu)先要考慮的重要因素，因?yàn)檫@涉及到系統(tǒng)一系列性能參數(shù)的好壞。目前的紅外焦平面陣列像元分辨率極高，不但已實(shí)現(xiàn)了第二代TDI工作模式的陣列生產(chǎn)，而且像640×480、1024×1024和2048×2048元的凝視陣列有的已投產(chǎn)，如PtSi、InSb和HgCdTe與GaAlAs陣列，有的正準(zhǔn)備投產(chǎn)，像非致冷紅外焦平面陣列的320×240，640×480這樣的陣列都已投產(chǎn)或準(zhǔn)備投產(chǎn)，1024×1024元陣列已在發(fā)展中，非致冷陣列在制作工藝上也已成熟。像元尺寸已從50µm×50µm縮小到了25µm×25µm，國(guó)內(nèi)的非致冷紅外焦平面陣列已發(fā)展到了128×128元的陣列。

③ NETD指數(shù)

　NETD是評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵性性能參數(shù)，而這一參數(shù)也主要取決于焦平面陣列的NETD值。目前的光量子類(lèi)紅外焦平面陣列的NETD值范圍通常在0.1~0.01K，使用f/2光學(xué)時(shí)，InSb、GaAlAs和HgCdTe的第Ⅱ代320×256元陣列和第Ⅲ代1024×768元陣列可達(dá)到0.01K的NETD值，這適合于高性能的系統(tǒng)應(yīng)用.而非致冷熱型紅外焦平面陣列中320×240和640×480元的VOx陣列NETD 分別達(dá)到了0.01k和0.025k.滿足了中低檔的軍用裝備應(yīng)用，芯片生產(chǎn)已從5英寸的芯片轉(zhuǎn)向6in.，計(jì)劃投產(chǎn)8in.芯片。

④ 雙波段和多波段陣列

　雙色和多色紅外焦平面陣列是該技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，這種技術(shù)的發(fā)展屬于下一代的陣列技術(shù)，對(duì)于軍事應(yīng)用具有極為重要的意義。這種陣列目前主要是GaAlAs/GaAs量子阱紅外光電探測(cè)器焦平面，其雙波段的陣列規(guī)模已達(dá)到640×512元，目前一些大的公司研究所正在合作發(fā)展1024×1024元的陣列，而且由軍方出資發(fā)展四色的QWIP陣列，如美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究規(guī)劃局（DARPA）出資160萬(wàn)美元要求QWIP技術(shù)、NASA的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）和麻省理學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室合作研發(fā)的1024×1024元水平集成四色QWIP陣列，目前這種陣列工作溫度約為77K，未來(lái)將達(dá)到120K，像元尺寸20~25mm。

（2）趨勢(shì)

　目前先進(jìn)的紅外焦平面陣列技術(shù)正處在從第二代向第三代更為先進(jìn)的陣列技術(shù)發(fā)展的轉(zhuǎn)變時(shí)期。各有關(guān)公司和廠家機(jī)構(gòu)的注意力已轉(zhuǎn)向第三代紅外焦平面陣列傳感器的發(fā)展。第三代紅外焦平面陣列技術(shù)要滿足以下幾種要求：

①大型多色高溫工作的紅外焦平面陣列，探測(cè)器像元集成度≥106元，陣列格式1000×1000，1000×2000，和4096×4096元，像元尺寸18×18mm2，目前芯片尺寸22×22mm2，未來(lái)的芯片應(yīng)更大，高的量子效率，能存儲(chǔ)和利用探測(cè)器轉(zhuǎn)換所有的光電子，自適應(yīng)幀速（480Hz），雙色或多色工作，使用斯特林或熱電溫差電致冷器，工作在120K～180K，光響應(yīng)不均勻≤0.05%，NETD≤50mk(f/1.8)，結(jié)構(gòu)上單片或混合集成，可以是三維的。

②非致冷紅外焦平面陣列，無(wú)須溫度穩(wěn)定或致冷，用于分布孔徑設(shè)計(jì)，重量?jī)H1oz，30mW功率，焦平面探測(cè)器元集成度≥106元，陣列格式1000×1000元，像元尺寸為25mm ×25mm，NETD＜10mK(f/1)，或60mK(f/2.5)，低成本、低功耗、中等性能，用于分布孔徑設(shè)計(jì)中獲取實(shí)用信息。

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

三、星載固體光電子圖像傳感器應(yīng)用

　 空間星載遙感圖像傳感器具有寬空間和寬光譜分辨圖像的特點(diǎn)，用作最先進(jìn)的全景掃描、多光譜和超光譜圖像傳感器從衛(wèi)星等空間平臺(tái)上對(duì)地球表面的海洋形態(tài)、地質(zhì)和大地生態(tài)與環(huán)境進(jìn)行考察和監(jiān)測(cè)、對(duì)太空進(jìn)行天文探測(cè)研究，對(duì)地球表面目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、識(shí)別和分辨出隱蔽和偽裝的目標(biāo)，精確地確定地球表面目標(biāo)的位置等，商用和軍作范圍極為廣泛，具有極為重要的意義。美國(guó)依靠其強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和世界領(lǐng)先的高科技技術(shù)，一直在加緊發(fā)展先進(jìn)的空間探測(cè)和偵察技術(shù)，近些年來(lái)軍民兩用系統(tǒng)一直在美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究規(guī)劃局中占有相當(dāng)?shù)谋壤Ｏ瘛翱鞃u”這種超高分辨率的空間探測(cè)衛(wèi)星用于軍用是綽綽有余的，雖然其聲稱(chēng)為商用衛(wèi)星，但空間分辨率已逼近軍用衛(wèi)星的10?M。美國(guó)的CCD、CMOS和紅外焦平面陣列傳感器技術(shù)在激烈競(jìng)爭(zhēng)的全球市場(chǎng)上一直處于頂級(jí)地位，而且將這些遙遙領(lǐng)先各國(guó)的先進(jìn)傳感器技術(shù)迅速地用于天文探測(cè)衛(wèi)星，地球資源遙感衛(wèi)星和高分辨率的軍用間諜衛(wèi)星等。

1、典型民用和軍用圖像傳感器光譜段應(yīng)用

　 可見(jiàn)光～近紅外(VNIR)波段是測(cè)繪、水深透和特征分辨最重要的光譜區(qū)。短波紅外波段(SWIR)在確定植物水分和分辨雪與云狀物方面最為重要，因而對(duì)農(nóng)作物條件分析、氣象、天氣預(yù)報(bào)和全球變化有關(guān)的科學(xué)研究極為有效。從地質(zhì)角度來(lái)看，該光譜區(qū)是非常有用的，因?yàn)樵摴庾V段提供了有關(guān)地球表面，如土壤、巖石和植物的大量信息強(qiáng)度對(duì)比；短波、中波、長(zhǎng)波和更長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅外光譜段對(duì)軍用和航天星際探測(cè)具有極為重要的意義。其應(yīng)用范圍列于表1中。

2、星載固體光電子圖像傳感器應(yīng)用

　隨著CCD、CMOS和紅外焦平面陣列傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和成熟， 已廣泛地用作全景、多光譜、超光譜圖像傳感器。

· 全景掃描攝像機(jī)采用高分辨率的線陣列或TDI陣列圖像傳感器，在可見(jiàn)光到近紅外的寬光譜區(qū)內(nèi)產(chǎn)生高分辨率的黑白圖像。多光譜攝像機(jī)采用高分辨率的多光譜線陣列圖像傳感器用于紅、綠、藍(lán)，近紅外和短波紅外光譜區(qū)的分離波段產(chǎn)生可見(jiàn)光至紅外(IR)區(qū)的彩色圖像， 多光譜成像儀一般能觀測(cè)幾個(gè)到十幾個(gè)光譜波段。

· 超光譜攝像機(jī)(Hyperspextral Imager)則采用光機(jī)掃描線陣列和面陣列圖像傳感器，光譜更窄(10nm)，產(chǎn)生的是高光譜分辨的光譜圖像信息，一般具有100~400個(gè)譜段的探測(cè)能力，光譜分辨率在 左右。廣泛用于各種地球資源的探測(cè)，同時(shí)也具有重要的軍用意義，因?yàn)槌庾V成像儀可以獲得精細(xì)的目標(biāo)光譜曲線，可通過(guò)觀察所獲得的光譜圖像及光譜圖像的變化，進(jìn)行軍事裝備的識(shí)別和偵察，評(píng)估作戰(zhàn)效果。迄今為止，星載超光譜成像光譜儀還都是以科學(xué)試驗(yàn)為目的展開(kāi)研究的，目前一般還都處于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)階段。美國(guó)1997年8月23日發(fā)射了世界上第一顆攜帶超光譜成像儀（HIS）的小型對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星“劉易斯”（Lewis）。

· 超超光譜成像儀（Ultra-Hyperspectral Imager）可探測(cè)譜段數(shù)多達(dá)400~1000個(gè)左右，而譜帶寬更窄 。超光譜成像儀主要用于科學(xué)研究，如氣體的化學(xué)成份和各種物理特性分析等，與超光譜成像儀的工作機(jī)理類(lèi)同，譜段更多更窄，是今后的發(fā)展方向。

　雖然星載CCD、CMOS和紅外焦平面陣列全景、多光譜、超光譜和超超光譜星載圖像傳感器件技術(shù)及其應(yīng)用技術(shù)已相繼得到應(yīng)用，在多光譜、超光譜和超超光譜應(yīng)用方面不斷取得進(jìn)展，引起了全世界的關(guān)注，應(yīng)用前景非常廣闊，但是，這種應(yīng)用必竟還處于發(fā)展和探索階段。這些應(yīng)用主要是地球資源衛(wèi)星傳感器、陸地和海洋觀察衛(wèi)星傳感器、空間預(yù)警衛(wèi)星傳感器、主題測(cè)繪衛(wèi)星傳感器，紅外天文衛(wèi)星傳感器、軍用偵察衛(wèi)星傳感器和軍用氣象衛(wèi)星傳感器等。

（1）地球資源衛(wèi)星傳感器

　地球資源衛(wèi)星是目前全世界應(yīng)用最廣的多功能和多用途空間飛行器，它利用所載遙感系統(tǒng)能對(duì)地球資源進(jìn)行勘測(cè)，獲取地表各類(lèi)資源的特征及分布情況，對(duì)資源開(kāi)發(fā)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)極為重要。地球資源衛(wèi)星常號(hào)稱(chēng)商用目的，而實(shí)則是軍民兩用。特別是對(duì)于那些分辨率較高的資源衛(wèi)星，還可以對(duì)地面上諸如機(jī)場(chǎng)、防空設(shè)施、港口、導(dǎo)彈發(fā)射基地、鐵路網(wǎng)等軍事設(shè)施進(jìn)行偵察，對(duì)軍事地形的測(cè)繪，軍隊(duì)和裝備的調(diào)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視等。 “陸地衛(wèi)星”（LandSAT）、“晨鳥(niǎo)”（Early Bird）、EO-1及 “快鳥(niǎo)”(Quick Bird)等這些地球資源衛(wèi)星既是軍用空間偵察衛(wèi)星，也是商兩用的。

①地球觀察(EO-1)衛(wèi)星是美國(guó)NASA 新千年計(jì)劃的一部分，其目的是驗(yàn)證降低成本和改進(jìn)圖像質(zhì)量的先進(jìn)技術(shù)。2000年11月21日發(fā)射，攜帶有TRW空間電子制作的Hyperion超光譜攝像儀，是推帚式掃描成像儀，地面刈幅7.5km，空間分辨30m(705 km高度)。使用的星載固體圖像傳感器包括可見(jiàn)光-近紅外(VNIR)-短波紅外(SWIR)的焦平面陣列傳感器。其中，可見(jiàn)光-近紅外(VNIR)使用的是60×256元幀轉(zhuǎn)移CCD焦平面陣列，SWIR 陣列是256×256元的HgCdTe器件，其超光譜段多達(dá)220個(gè)，提供礦產(chǎn)、地質(zhì)、森林資源和農(nóng)業(yè)的增強(qiáng)遙感數(shù)據(jù)與Landest-7號(hào)衛(wèi)星增強(qiáng)主題測(cè)繪儀(ETM)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。圖1是Hyperion發(fā)回的南澳大利亞地形圖像比較。

②美國(guó)“DigitalGlobe”公司研制的“快鳥(niǎo)”分辨率高達(dá)63cm,這一迄今為止目前世界上最先進(jìn)，分辨率最高（競(jìng)達(dá)到61cm）的空間成像衛(wèi)星的出現(xiàn)，確實(shí)應(yīng)該引起人們的密切關(guān)注。事實(shí)上，英、日、法、俄等國(guó)也有不少這種衛(wèi)星在空間運(yùn)行監(jiān)視著全球各個(gè)地區(qū)和角落。然而，沒(méi)有一個(gè)商用衛(wèi)星有“快鳥(niǎo)”衛(wèi)星這樣先進(jìn)，分辨率有如此之高，就連法國(guó)的Spot衛(wèi)星也都沒(méi)有達(dá)到“快鳥(niǎo)”的水平。Spot 衛(wèi)星是世界上早已聞名的商用衛(wèi)星，而實(shí)際上一直在為軍事應(yīng)用作貢獻(xiàn)，是一個(gè)帶有十分濃厚軍用色彩的商用衛(wèi)星，其地面分辨率為5m，而“快島”卻達(dá)到0.6m，其分辨率已達(dá)到最先進(jìn)的軍用間諜衛(wèi)星水平。

　 由于美國(guó)的固體圖像傳感器技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先地位，其CCD圖像傳感器的線陣列和TDI-CCD陣列及其芯片拼接技術(shù)在多光譜衛(wèi)星成像技術(shù)方面應(yīng)用十分靈活主動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)多達(dá)數(shù)十個(gè)波段的多光譜成像探測(cè)、其面陣列可大達(dá)上千萬(wàn)元的陣列，可實(shí)現(xiàn)全景掃描的大視場(chǎng)傳感器應(yīng)用。這種面陣傳感器均可達(dá)到極高的分辨率。

“快鳥(niǎo)”使用全景（黑白）和多光譜彩色近紅外傳感器，傳感器采取推帚掃描方式對(duì)地球表面的目標(biāo)進(jìn)行攝像，獲得的圖像存儲(chǔ)在星載存儲(chǔ)器中，把數(shù)據(jù)下傳給設(shè)在地球北極的地面接收站、其特點(diǎn)是：

·大面積探測(cè)和監(jiān)視：地面刈幅為16.5×16.5km=272km2，一年中對(duì)地球表面的拍攝面積寬達(dá)7000萬(wàn)km2，這相當(dāng)于整個(gè)北美洲大陸的3倍，是我國(guó)960萬(wàn)km2的7倍以上，這等于一年中將我國(guó)的全部國(guó)土各個(gè)角落都納入攝像機(jī)視場(chǎng)7次。

· 超高空間成像分辨率

“快鳥(niǎo)”的全景掃描成像傳感器最高的圖像分辨率達(dá)到61cm，而多光譜傳感器獲得的圖像分辨率為2.44m。物理圖像尺寸為27552×27424像素，可謂大矣，從衛(wèi)星上垂直向下觀察地球的攝像范圍16.5×16.5km，像素深度等級(jí)11bit（2048級(jí)）；圖像信息量極大，建筑物的陰影、明暗部分十分清楚。61cm的分辨率，其分辨精度可清楚地從衛(wèi)星圖像上看出人影，甚至連以前獲得的衛(wèi)星圖像也可合起來(lái)用于對(duì)土地利用分類(lèi)和地球表面物體進(jìn)行分析，甚至連正在路上行進(jìn)中的車(chē)輛種類(lèi)均可判別出來(lái)。這一精度不斷把民用衛(wèi)星的圖像分辨率提高到了一個(gè)新的水平，而且這一分辨率的衛(wèi)星對(duì)軍用具有極為重要的價(jià)值。表2給出了“快鳥(niǎo)”的主要性能參數(shù)，表3出了其適用的范圍和領(lǐng)域。

　 美國(guó)柯達(dá)公司研制的星載固體圖像傳感器，工作于全景模式時(shí)采用8000元的CCD長(zhǎng)線陣，雙芯片光學(xué)拼接組合，從460Km高空地面取樣寬度為1.0m，地面刈幅寬度為8.0m，64級(jí)TDI工作在極低光照條件下攝像；工作于多光譜模式時(shí)，采用2000元的可見(jiàn)光硅光電二極管陣列光譜區(qū)為藍(lán)、綠、紅和近紅外四個(gè)波段區(qū)，高空地面取樣寬度為4.0m；工作于超光譜模式時(shí)，在可見(jiàn)光～近紅外區(qū)采用1000×50元的硅可見(jiàn)光焦平面陣列，把0.4µm～1.0µm的光譜區(qū)分成了60個(gè)連續(xù)的波段，而在短波紅外區(qū)內(nèi)，采用1000元的短波HgCgTe紅外焦平面陣列，在1.0µm～1.75µm的三個(gè)光譜區(qū)內(nèi)，其波段多達(dá)40個(gè)，地面對(duì)面取樣寬度為8.0Km。

　法國(guó)共成功地發(fā)射了四顆“斯波特”（SPOT）新型商業(yè)地球資源遙感衛(wèi)星，目前正在研制第五顆。這種衛(wèi)星的軍民兩用性質(zhì)在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中所起的作用是非常明顯的。SPOT-攜帶兩臺(tái)相同的高分辨率遙感器HRV(High Resolution Visible imagine System)，采用可見(jiàn)光CCD圖像傳感器，多光譜和全色波段兩種工作模式，其地面分辨率高達(dá)5m～10m。可見(jiàn)光高分辨率的掃描成像譜儀，屬于第二代光機(jī)掃描成象儀。由一個(gè)瞄準(zhǔn)反射鏡、準(zhǔn)施密特望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)及四個(gè)CCD陣列探測(cè)器組成。CCD陣列位于望遠(yuǎn)鏡焦平面上，分別工作在綠色500nm~590nm波段、紅色610nm~680nm波段、近紅外790~890波段及一個(gè)全色模式波段510~730nm。在全色波段其地面分辨率高達(dá)10m，多光譜波段20m間隔地面取樣， HRV采用了新的CCD成像技術(shù)并利用推掃原理進(jìn)行工作，通過(guò)安裝在儀器焦平面上的CCD列陣，對(duì)圖像上的各條掃描線進(jìn)行電子自掃描，通過(guò)衛(wèi)星沿其軌道的運(yùn)動(dòng)，可產(chǎn)生沿軌跡方向的連續(xù)掃描圖像，這樣每個(gè)地面成像點(diǎn)都可自動(dòng)達(dá)到最長(zhǎng)曝光駐流時(shí)間，從而大大提高了光譜儀的成像質(zhì)量。

　由于HRV工作在可見(jiàn)光波段及近紅外區(qū)，能滿足需要地球自然資源探測(cè)需要，但是隨著紅外焦平面陣列技術(shù)的發(fā)展， 1998年3月24日成功發(fā)射的SPOT-4衛(wèi)星所攜帶的成像光譜儀就是高分辨率可見(jiàn)光紅外成像儀（HRVIR），增加了一條新的中紅外通道，大大加強(qiáng)化了其軍用能力。

　日本、印度等周邊國(guó)家近年來(lái)地球資源衛(wèi)星的發(fā)展也很快。日本地球資源衛(wèi)星-1(JERS-1)于1992年2月用H-1火箭發(fā)射，它是日本的第一顆地球觀測(cè)衛(wèi)星服役達(dá)6.5年。JERS-1衛(wèi)星總共提供了30多萬(wàn)幅光學(xué)遙感圖像，主要用于試驗(yàn)光學(xué)遙感器在可見(jiàn)光-近紅外-中紅外區(qū)的工作能力，并進(jìn)行地球資源綜合觀測(cè)。印度第二代地球資源遙感衛(wèi)星（IRS-IC、IRS-ID）載有CCD攝像器件的全色相機(jī)、四波段多光譜相機(jī)和寬視場(chǎng)相機(jī)，在太陽(yáng)同步軌道的地面分辨率達(dá)到10m，還可更高。

（2）海洋監(jiān)測(cè)衛(wèi)星傳感器

　海洋監(jiān)測(cè)衛(wèi)星對(duì)民用和軍用都有極其重要的意義。是對(duì)海上活動(dòng)和海軍裝備系統(tǒng)進(jìn)行偵察的衛(wèi)星。這種星載光電傳感探測(cè)器能發(fā)現(xiàn)艦船及潛艇活動(dòng)目標(biāo)，并確定目標(biāo)具體方位及活動(dòng)信息，還可負(fù)載紅外及多光譜掃描傳感器。美國(guó)從1976年開(kāi)始發(fā)射的“海軍海洋監(jiān)視衛(wèi)星”（NOSS）（又稱(chēng)“白云”White Cloud和“命運(yùn)三女神”P(pán)arcae），俄羅斯于1974年開(kāi)始發(fā)射的“宇宙號(hào)”電子型1號(hào)海洋監(jiān)視衛(wèi)星（EORSAT），日本1987年發(fā)射了MOS-1第一顆極軌對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，現(xiàn)已停止工作。1990年2月發(fā)射了MOS-1b，傳感器是多光譜電子自掃描輻射計(jì)和可見(jiàn)光/熱紅外輻射計(jì)，還試用了512×512元的PtSi中波紅外焦平陣列傳感器，地面刈幅寬100 km×2，1500 km，地面分辨率50 m、900m/27 km、32 km(23 GHz)，其主要任務(wù)是海洋觀測(cè)，如海洋水色，地表水面溫度，云和大氣水分等，并進(jìn)行遙感設(shè)備和數(shù)據(jù)應(yīng)用試驗(yàn)。

（3）早期彈道導(dǎo)彈發(fā)射預(yù)警衛(wèi)星

　 在現(xiàn)在高度發(fā)展的導(dǎo)彈技術(shù)時(shí)代，獲得先進(jìn)的導(dǎo)彈發(fā)射攻擊告警能力以提供足夠的預(yù)警時(shí)間，采取有效的對(duì)抗措施，這對(duì)國(guó)家的安全和生存是致關(guān)重要的，因而大型紅外焦平面陣列技術(shù)一直是各國(guó)獲得這種能力的主要選擇方案。

　當(dāng)今世界上除了美、俄?yè)碛锌蓴?shù)次毀滅地球的龐大核武庫(kù)外，擁有和即將擁有的這種先進(jìn)戰(zhàn)略導(dǎo)彈核武器的國(guó)家也在日益增多。由于各種因素導(dǎo)致的突發(fā)性事件隨時(shí)都有可能發(fā)生，這種核對(duì)抗和沖突是十分可怕的。必須在早期導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)就可根據(jù)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的熱煙霧及時(shí)捕獲和清楚地分辨出冷發(fā)射目標(biāo)。這種冷的發(fā)射飛行器的溫度通常約為250℃，而從火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴射出來(lái)的熱羽煙溫度高達(dá)950℃。根據(jù)普郎克黑體輻射理論，二者在4mm波段時(shí)的光通比約為25000，而在8.5mm時(shí)約為115。因而采取的波段（8mm ~14mm）的紅外焦平面陣列就可獲得極高的瞬間動(dòng)態(tài)范圍，通常為12bits(即4096)。像目前的GaAiAs/GaAs量子阱紅外光電探測(cè)器焦平面陣列規(guī)模大達(dá)640´480元，工作波長(zhǎng)不但可以是3mm~5mm，8mm ~9mm，還可達(dá)到14mm~15mm，不但可單波段工作，而且還可實(shí)現(xiàn)雙波段工作。事實(shí)上美國(guó)彈道防御機(jī)構(gòu)在幾年前做的專(zhuān)門(mén)實(shí)驗(yàn)中就用的是長(zhǎng)波GaAiAs/GaAs量子阱紅外光探測(cè)器焦平面陣列攝象機(jī)及時(shí)捕獲和極為清晰地分辨出Delta-2火箭，并獲得了非常清晰的圖像，如圖2所示。

　美國(guó)空軍已選定洛克西德馬丁公司的一個(gè)承包合同小組。研制新一代星載紅外導(dǎo)彈告警系統(tǒng)，為美國(guó)及其部署的軍隊(duì)和盟國(guó)提供來(lái)襲導(dǎo)彈的告警時(shí)間，并進(jìn)行跟蹤，安裝在五顆地球同步衛(wèi)星和二顆高軌道衛(wèi)星上，2000年開(kāi)始部署低地球軌道衛(wèi)星，2002年發(fā)射地球靜止衛(wèi)星，到2020年完成，傳感器有二種，一種負(fù)責(zé)快速掃描探測(cè)出已發(fā)射的導(dǎo)彈，另一種為凝視陣列，負(fù)責(zé)跟蹤目標(biāo)，合同初步金額為18億美元。為了降低成本，美國(guó)陸軍和高級(jí)研究規(guī)劃局在發(fā)展低成本非致冷紅外焦平面陣列技術(shù)方面投入了相當(dāng)多的資金，其目的在于使紅外焦平面陣列技術(shù)的單價(jià)降到300~600美元（而目前的大型凝視陣列數(shù)萬(wàn)美元），從而使新一代導(dǎo)彈攻擊告警系統(tǒng)（MAWS）的成本降到10萬(wàn)美元，而目前致冷焦平面陣列同類(lèi)系統(tǒng)的標(biāo)價(jià)為50萬(wàn)美元。由俄亥俄州賴(lài)特實(shí)驗(yàn)室發(fā)的二項(xiàng)研究計(jì)劃分別為“強(qiáng)干擾中的探測(cè)（DICE）和用作告警傳感器的低成本陣列（LAWS）。賴(lài)特、洛克希德、桑德斯、尼科爾斯研究和大西洋航空航天電子設(shè)備公司幾家承包負(fù)責(zé)信號(hào)處理計(jì)劃（DICE），提高紅外導(dǎo)彈告警系統(tǒng)除去干擾的能力，洛克希德、桑德斯、德克薩斯儀器公司負(fù)責(zé)研究這種LAWS陣列，這種技術(shù)還適用于各種飛機(jī)。由于這種陣列的靈敏度不及制冷紅外焦平面，將采用信號(hào)處理和加大非制冷紅外焦平面陣列的陣列規(guī)模彌補(bǔ)其不足，美軍的該計(jì)劃已于1997~1998年間開(kāi)始實(shí)施。美國(guó)現(xiàn)役彈道導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星上的紅外探測(cè)器長(zhǎng)3.6m，孔徑0.91m，探測(cè)器陣列元數(shù)由6000元的 PbS和HgCdTe的紅外探測(cè)陣元組成，對(duì)導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰波長(zhǎng)2μm～7μm的紅外輻射極其敏感。當(dāng)衛(wèi)星以5r/min～7r/min的速度自轉(zhuǎn)時(shí)，其每隔8s～13s就可對(duì)地球表面1/3的區(qū)域重復(fù)掃描一次，通過(guò)連續(xù)掃描測(cè)出彈道導(dǎo)彈的位置和移動(dòng)方向。將于2006年部署的美國(guó)天基紅外導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)(SBIRS)，由高軌道衛(wèi)星和低軌道衛(wèi)星組成。SBIRS系統(tǒng)采用24000個(gè)HgCdTe元組成的線陣和面陣列凝視成像焦平面紅外探測(cè)器，其長(zhǎng)波紅外探測(cè)器在外層空間對(duì)彈道導(dǎo)彈助推段的探測(cè)能力達(dá)300km。

（4）天文探測(cè)空間傳感器

　天文探測(cè)一直是大國(guó)和強(qiáng)國(guó)實(shí)力的標(biāo)志，是大國(guó)激烈競(jìng)爭(zhēng)的又一個(gè)領(lǐng)域， 先進(jìn)的紅外焦平面陣列傳感器將為人類(lèi)的太空天文探測(cè)提供更為先進(jìn)的手段。目前在許多空間探測(cè)器上已安裝上先進(jìn)的紅外傳感器。.雖是科學(xué)探索，但卻具有重要的軍事意義， 例如，美國(guó)1994年1 月25日發(fā)射的“克萊門(mén)廷”（Clementine）月球探測(cè)衛(wèi)星，也主要有軍方使用，驗(yàn)證其反導(dǎo)系統(tǒng)所用紫外、可見(jiàn)及紅外各譜段成像傳感器在太空環(huán)境中的性能。隨著微電子技術(shù)和固體圖像傳感器技術(shù)，特別是紅外焦平面陣列技術(shù)的飛速發(fā)展，長(zhǎng)線陣和大格式多元陣列的應(yīng)用使該領(lǐng)域的獲得了更加進(jìn)的手段。　　

　 日本九十年代就已發(fā)射了搭載紅外焦平面陣列的紅外天文衛(wèi)星，已完成了對(duì)2004年發(fā)射新的一顆ASTRO-F紅外天文衛(wèi)星搭載的近紅外和中紅外焦平面陣列作了評(píng)價(jià)。ASTRO-F衛(wèi)星是日本的第一顆完全用于紅外天文學(xué)的天文衛(wèi)星。該衛(wèi)星上裝載的紅外攝像機(jī)（IRC）將在2µm～26µm波長(zhǎng)范圍進(jìn)行成像和光譜觀測(cè)。該紅外攝像機(jī)將包括三個(gè)通道：近紅外通道（2µm～5µm）、中紅外S通道（5µm～12µm）和中紅外L通道（12µm～26µm）。近紅外通道采用一個(gè)512×412元InSb陣列，中紅外S（MIR-S）通道和中紅外L（MIR-L）通道則都使用256×256元Si:As IBC陣列。這些陣列都是由美國(guó)雷聲IRO公司制造的。

　 美國(guó)在發(fā)展這種紅外天文衛(wèi)星用低背景紅外焦平面陣列技術(shù)方面進(jìn)展特別快，已發(fā)回了不少有關(guān)我們所在太陽(yáng)系遙遠(yuǎn)行星和月球的照片，如幾年前獲得的有關(guān)彗星撞擊木星的紅外天文照片。美國(guó)航天局的哈勃（Hubble）空間望遠(yuǎn)鏡是目前使用紅外攝像傳感器最為先進(jìn)的空間探測(cè)器。圖3是夏威夷凱克天文臺(tái)用InSb陣列攝得的休梅克-利瓦伊彗星撞擊木星的一系列紅外圖像中的二張照片。

　 洛克威爾科學(xué)中心和夏威夷大學(xué)已于1999年研制出了世界上最大的兩種2048×2048元短波（SWIR）和中波（MWIR）HgCdTe紅外焦平面陣列，其光譜響應(yīng)范圍分別為0.85&micro;m～2.5&micro;m和0.4&micro;m～5&micro;m，其名字叫HAWAII-2的這種陣列性能與早期研發(fā)的HAWAII1024×1024元的陣列類(lèi)同，量子效率為>75%，暗電流低達(dá)<0.01電子／秒，兩個(gè)波段的噪聲電平分別為<3電子和<10個(gè)電子，其設(shè)計(jì)規(guī)格為0.8&micro;m，并用二個(gè)2048×2048元可見(jiàn)光陣列和二個(gè)2048×2048元紅外焦平面陣列分別拼接出4096×4096元的大型陣列。

四、星載固體光電子圖像傳感器應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)

　由于固體圖像傳感器陣列器件技術(shù)的迅速發(fā)展和成熟，焦平面陣列技術(shù)已從可見(jiàn)光-近紅外波譜區(qū)發(fā)展到了短波紅外、中波紅外和長(zhǎng)波紅外區(qū)，為空間星載固體光電子圖像傳感器應(yīng)用發(fā)展與相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了可靠的支撐技術(shù)。

1、可單芯片和多芯片線陣列和TDI陣列的芯片拼接和光學(xué)拼接，實(shí)現(xiàn)數(shù)千、上萬(wàn)乃至數(shù)萬(wàn)像元的特長(zhǎng)陣列空間傳感器，如加拿大的DLSA公司制作的單個(gè)和多個(gè)2048×96、2048×144和4096×96的拼合起來(lái)的星載或機(jī)載推帚式掃描傳感器；

2、已實(shí)現(xiàn)了特大型的大格式和大視場(chǎng)高分辨率的空間圖像傳感器，如2048×2048、4096×4096和6144×6144元的陣列；

3、已從可見(jiàn)光—近紅外波譜區(qū)發(fā)展到了短波紅外(SWIR)、中波紅外(MWIR)和長(zhǎng)波紅外(LWIR)區(qū)，如可見(jiàn)光硅CCD、CMOS圖像傳感器陣列器件、InGaAs、PtSi、HgCdTe、InSb和GaAlAs/GaAs等近紅外、短波紅外、中波紅外和長(zhǎng)波紅外焦平面陣列，甚至HgCdTe低背景陣列已達(dá)到了2048×2048元，預(yù)期不久會(huì)出現(xiàn)4096×4096元的陣列；

4、目前的固體攝像陣列用作星載全景掃描和多光譜圖像傳感器是非常成功的，其商用傳感器系統(tǒng)的分辨能力已逼近最先進(jìn)的10?M軍用分辨能力；超光譜圖像傳感器應(yīng)用也在迅速取得進(jìn)展，2000年11月21日發(fā)射的地球觀察(EO-1)衛(wèi)星攜帶的Hyperion超光譜攝像儀是TRW空間與電子為NASA Goddard空間飛行中心制作的，其超光譜波段多達(dá)220個(gè)，從0.4&micro;m～2.5&micro;m的寬譜區(qū)內(nèi)各波段窄達(dá)10nm；

5、星載固體光圖像傳感器的光譜復(fù)蓋區(qū)已從可見(jiàn)光、近紅外發(fā)展到了短波紅外和中波紅外區(qū)，預(yù)期這方面的應(yīng)用發(fā)展會(huì)加快；

6、正在發(fā)展更窄光譜的超超光譜星載圖像傳感器技術(shù)。

五、結(jié)語(yǔ)

　 空間探測(cè)技術(shù)對(duì)商用和國(guó)防軍用都具有極為重要的意義，競(jìng)爭(zhēng)極為激烈。可見(jiàn)光硅CCD、CMOS圖像傳感器陣列器件、InGaAs、PtSi、HgCdTe、InSb和GaAlAs/GaAs等近紅外、短波紅外、中波紅外和長(zhǎng)波紅外焦平面陣列空間傳感器的迅速發(fā)展和成熟對(duì)空間探測(cè)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，為該領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可靠支撐技術(shù)；目前的星載全景掃描和多光譜圖像傳感器是非常成功的，其商用傳感器系統(tǒng)的分辨能?chē)?guó)力已逼近最先進(jìn)的10?M軍用分辨能力；超光譜圖像傳感器應(yīng)用也在迅速取得進(jìn)展，其光譜范圍已從可見(jiàn)光、近紅外區(qū)延伸到短波紅外、中波紅外和長(zhǎng)波紅外區(qū)；正在發(fā)展超超光譜星載圖像傳感器技術(shù)。