光電探測器的應(yīng)用

1、光電探測器的應(yīng)用摘要：光電探測技術(shù)利用光源在目標(biāo)和背景上的反射或目標(biāo)、背景本身輻射電磁波的差異來探測、識別目標(biāo)并對它們進(jìn)行跟蹤、瞄準(zhǔn)。光電探測設(shè)備與電子、雷達(dá)、聲、磁等探測裝備相輔相成，互為補充，各有特點，共同組成一個完整的戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)偵察探測體系。目前，光電探測主要分為可見光探測、微光探測、紅外探測、激光偵察、光電綜合探測、衛(wèi)星光電探測、機載光電探測、艦載光電探測和車載光電探測等多種。1873年，英國W史密斯發(fā)現(xiàn)硒的光電導(dǎo)效應(yīng)，但是這種效應(yīng)長期處于探索研究階段，未獲實際應(yīng)用。第二次世界大戰(zhàn)以后，隨著半導(dǎo)體的發(fā)展，各種新的光電導(dǎo)材料不斷出現(xiàn)。在可見光波段方面，到50年代中期，性能良好的硫化鎘、硒

2、化鎘光敏電阻和紅外波段的硫化鉛光電探測器都已投入使用。60年代初，中遠(yuǎn)紅外波段靈敏的GeSi摻雜光電導(dǎo)探測器研制成功，典型的例子是工作在35微米和814微米波段的Ge:Au（錯摻金）和Ge:Hg光電導(dǎo)探測器。60年代末以后,HgCdTaPbSnT巡可變禁帶寬度的三元系材料的研究取得進(jìn)展。所謂光電導(dǎo)探測器就是利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種光探測器件。所謂光電導(dǎo)效應(yīng)，是指由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率改變的一種物理現(xiàn)象。光電導(dǎo)效應(yīng)是內(nèi)光電效應(yīng)的一種。當(dāng)照射的光子能量hv等于或大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg時，光子能夠?qū)r帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生導(dǎo)電的電子、空穴對，這就是本征光電導(dǎo)效應(yīng)。這里h是普

3、朗克常數(shù)，v是光子頻率，Eg是材料的禁帶寬度（單位為電子伏）。光電導(dǎo)探測器在軍事和國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域有廣泛用途。在可見光或近紅外波段主要用于射線測量和探測、工業(yè)自動控制、光度計量等；在紅外波段主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像、紅外遙感等方面。光電導(dǎo)體的另一應(yīng)用是用它做攝像管靶面。為了避免先生載流子擴散引起圖像模糊，連續(xù)薄膜靶面都用高阻多品材料，如PbS-PbOSb2s3等。其他材料可采取鑲嵌靶面的方法，整個靶面由約10萬個單獨探測器組成。目前世界上發(fā)展比較快的光電探測技術(shù)有紅外探測技術(shù)、激光探測技術(shù)以及光電綜合探測技術(shù)。紅外探測系統(tǒng)中包括紅外夜視儀和熱像儀兩大類。熱像儀又稱前視紅外裝置。主動紅外夜

4、視儀容易暴露自己，作用距離遠(yuǎn)，目前基本上被熱像儀取代。熱像儀是夜視裝備中的新秀，目前國外200多種型號的第一代熱成像儀裝備衛(wèi)星、車輛、飛機、直升機、艦艇、固定陣地、反坦克武器、防空武器，用于遠(yuǎn)距離偵察、監(jiān)視、跟蹤和探測偽裝、地雷、化學(xué)戰(zhàn)劑等。70年代以后，激光測距機、激光目標(biāo)指示器、激光雷達(dá)等激光偵察設(shè)備相繼在各國三軍中使用。第一代激光測距機以紅寶石激光器和光電倍增管探測器為基礎(chǔ)，在70年代末以后被性能更先進(jìn)的第二代和第三代激光測距機取代。第二代激光測距主要采用摻鋁億鉆石榴石激光器和硅光電二極管或雪崩光電二極管探測器.由于光電探測裝備的成像分辨率高，提供的目標(biāo)圖像清晰，所以在軍事領(lǐng)域有廣泛用途

5、，大都是被動探測裝備，隱蔽性好，不容易被敵方探測；抗干擾性能好。在強電磁對抗環(huán)境中，雷達(dá)無法工作，光電探測設(shè)備擔(dān)負(fù)主要偵察任務(wù)；全天候性能好，白天和黑夜都能實施偵察探測。軍事偵察對光電探測裝備提出的主要性能要求是重量輕、作用距離遠(yuǎn)、探測和分辨能力強、全天候性能好、功耗低、抗干擾性能好、環(huán)境適應(yīng)性強、生存能力強、價格合理。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，光電探測設(shè)備從最早的單純可見光偵察器材發(fā)展成為集光機電為一體的現(xiàn)代光電偵察探測器材。計算機、信息處理、圖象處理、信息融合、專用微電子、半導(dǎo)體、光纖、數(shù)據(jù)傳輸?shù)痊F(xiàn)代高技術(shù)的應(yīng)用，使光電探測設(shè)備的技術(shù)性能更加完備。由于現(xiàn)代光電探測裝備在搜集戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)情報中的重要

6、作用，各國廣泛開發(fā)在衛(wèi)星、無人駕駛偵察機、固定翼飛機、直升機、地面機動車輛和固定偵察陣地上應(yīng)用的光電探測設(shè)備，廣泛采用各種光電探測器材。激光雷達(dá)自60年代末就已經(jīng)開始研制，目前已經(jīng)研制成功多各用途的激光雷達(dá)的樣機，但還未能正式裝備部隊。地面炮兵激光目標(biāo)指示器和機載激光指示器已大量裝備部隊，目前激光目標(biāo)指示器正在由采用億鉆石榴石激光器向采用CO2敷光器發(fā)展。光電綜合偵察裝備將可見光、激光、紅外、激光等幾種傳感技術(shù)匯集于一個偵察或偵察攻擊系統(tǒng)中，增強了在晝夜、惡劣氣候和不良的戰(zhàn)場環(huán)境條件下對目標(biāo)的探測和識別能力以及對抗能力。80年代國外光電綜合偵察裝備發(fā)展迅速，目前已有大量成品系統(tǒng)裝備飛機、坦克等

7、軍用武器系統(tǒng)。現(xiàn)代光電探測裝備在軍事上可用于戰(zhàn)場偵察、戰(zhàn)役偵察和戰(zhàn)略偵察，用來探測和跟蹤洲際導(dǎo)彈的發(fā)射，探測洲際導(dǎo)彈發(fā)射并和機動洲際導(dǎo)彈的位置，監(jiān)視空中、地面和地下核武器爆炸試驗，探測和跟蹤水面艦艇和潛艇的活動，探測地面和地下埋設(shè)的地雷，探測化學(xué)戰(zhàn)劑的使用，探測和跟蹤戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和飛機的來襲，探測和監(jiān)視敵部隊和單兵的活動，對戰(zhàn)場進(jìn)行監(jiān)視以及對敵打擊效果的偵察等等。光電探測設(shè)備是戰(zhàn)略C3I和戰(zhàn)術(shù)C3I系統(tǒng)的重要組成部分，提供重要的信息。光電導(dǎo)探測器在生活中也有廣泛用途，目前當(dāng)數(shù)光電感煙探測技術(shù)最為完善。這技術(shù)主要應(yīng)用于火災(zāi)探測。在當(dāng)前火災(zāi)探測傳感方法中最常用的有兩大類，即感溫探測和感煙探測。感煙探測

8、有利于早期發(fā)現(xiàn)火警，而這個早就是火災(zāi)預(yù)防追求的核心，所以在火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中，感煙探測器的使用占絕大多數(shù)。感煙探測器又分為離子型和光電型兩大類。早期廣泛使用的以離子型居多，光電型則使用較少。似乎原因之一是相比較而言，離子型更敏感于早期陰燃煙（煙粒徑更?。?。僅就靈敏度這點來說，完全可以從靈敏度設(shè)置來解決，它并不是早期人們熱衷于離子型感煙探測器的主要原因。其實人們對離子型中的放射源的隱憂是一直存在的，然而由于離子型探頭的標(biāo)定技術(shù)易于掌握，實現(xiàn)很容易，產(chǎn)品靈敏度易于保持一致。而光電型探頭，起先是環(huán)境及雜散光的干擾問題，當(dāng)光源及光電對管和光迷宮解決之后，干擾問題就基本得到解決。當(dāng)前一般廠家多困擾于標(biāo)定技術(shù)

9、，較之離子感煙探測器的標(biāo)定，光電探測器的標(biāo)定，實施起來相對要難得多，如果方法不當(dāng)，往往使產(chǎn)品的靈敏度很分散，成品率亦受影響。所以很多廠家仍棄光電型而開發(fā)生產(chǎn)離子型。由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會財富的迅速增長，火災(zāi)預(yù)防愈受重視。這使得探測器的使用數(shù)量急劇增長，離子型探頭中放射源的后處理，就成為受到人們關(guān)心的一大環(huán)保潛在問題。因此，當(dāng)光電型感煙探頭質(zhì)量有保證，而價格相當(dāng)時，人們將更愿意選用光電感煙探測器。所以形勢正迫使離子型退出霸主地位而讓位于光電型探頭。尤其今后發(fā)展模擬量火災(zāi)報警技術(shù)，以取代開關(guān)量報警技術(shù)或準(zhǔn)（偽）模擬量探測技術(shù)，已是大勢所趨。生產(chǎn)出靈敏度一致性合乎要求的光電探頭，增加產(chǎn)品合格率，掌握生

10、產(chǎn)中最后一關(guān)-高精度的標(biāo)定技術(shù)，就成為必須解決的問題了0光電式感煙探測器由光源、光電元件和電子開關(guān)組成。利用光散射原理對火災(zāi)初期產(chǎn)生的煙霧進(jìn)行探測，并及時發(fā)出報警信號。按照光源不同，可分為一般光電式、激光光電式、紫外光光電式和紅外光光電式等4種。a、一般光電式感煙探測器根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點可分為遮光型和散射型兩種。遮光型光電感煙探測器由一個光源（燈泡或發(fā)光二極管）和一個光電元件對應(yīng)裝在小暗室內(nèi)構(gòu)成。在無煙情況下，光源發(fā)出的光通過透鏡聚成光束，照射到光電元件上，并將其轉(zhuǎn)換成電信號，使整個電路維持在正常狀態(tài)，不發(fā)出報警。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生有煙霧進(jìn)入探測器，使光的傳播特性改變，光強明顯減弱，電路正常狀態(tài)被破壞，則

11、發(fā)出報警信號。散射光電式感煙探測器的發(fā)光二極管和光電元件設(shè)置的位置不是對應(yīng)的。光電元件設(shè)置在多孔的小暗室里。無煙霧時，光不能射到光電元件上，電路維持正常狀態(tài)。而發(fā)生火災(zāi)時，有煙霧進(jìn)入探測器，光通過煙霧粒子的反射或散射到達(dá)光電元件上，則光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大電路放大后，驅(qū)動自動報警裝置發(fā)出報警信號。b、激光式感煙探測器。由激光發(fā)射機（包括脈沖電源和激光發(fā)生器）和激光接收器（包括光電接收器、脈沖放大及報警）組成。它利用激光方向性強、亮度高及單色性和相干性好的特點。在無煙情況下，脈沖激光束射到光電接收器上，轉(zhuǎn)換成電信號，報警器不發(fā)出報警。一旦激光束在發(fā)射過程中有煙霧遮擋而減弱到一定程度，使光電接

12、收器信號顯著減弱，探測器發(fā)出報警信號。在種類繁多的激光光源中，半導(dǎo)體激光器由于具有所需激發(fā)電壓低、效率高、脈沖功率大、器件體積小、耐震、壽命長和價格低廉等優(yōu)點而受到重視。c、紫外光和紅外光感煙探測器。它們具有靈敏度高、性能穩(wěn)定、可靠、探測方位準(zhǔn)確等優(yōu)點，因而得到普遍重視，并成為目前火災(zāi)探測器的重要設(shè)備和發(fā)展方向。光電式感煙探測器發(fā)展很快，種類不斷增多，就其功能而言，它能實現(xiàn)早期火災(zāi)報警，除應(yīng)用于大型建筑物內(nèi)部外，還特別適用于電氣火災(zāi)危險性較大的場所，如計算機房、儀器儀表室和電纜溝、隧道等處。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，各種類型的光電探測器，如電荷耦合器件、光位置敏感器件、光敏陣列探測器等應(yīng)運而生

13、，取得了重大進(jìn)展。進(jìn)入90年代，光電探測器的發(fā)展方向除了開發(fā)高速響應(yīng)光電探測器外，具重點是開發(fā)焦平面陣列為代表的光電成像器件。紅外焦平面陣列制作技術(shù)的日臻完善，使紅外探測技術(shù)進(jìn)入了第二代。當(dāng)前，降低成本是紅外探測器在民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。21世紀(jì)，紅外焦平面陣列開發(fā)方向，一是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提高分辨率，二是開發(fā)多功能和智能化焦平面陣列。我國光電子行業(yè)在科研上起步較早，也有一批水平較高的應(yīng)用成果，其中光纖通信的發(fā)展尤快。在國防上的應(yīng)用也開展較早，如靶場用的激光、紅外、電視等光測設(shè)備，以及紅外導(dǎo)引裝置、紅外熱像儀、激光測距儀、微光夜視儀等。但民用市場開發(fā)較晚，真正能形成較大生產(chǎn)規(guī)模的產(chǎn)品不多。我國在"八五”計劃期間對一些光電器件企業(yè)進(jìn)行了技術(shù)改造，已在"九五"計劃中產(chǎn)生了效益。例如，12英寸彩色液晶顯示屏已經(jīng)在1996年投產(chǎn)。國家重大成套通信設(shè)備2.5Gbps同步數(shù)字系列（SDH光通信系統(tǒng)，于1997年研制開發(fā)成功，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于國家通信骨干網(wǎng)的建設(shè)。鑒于上述情況，我國光電子技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略總的指導(dǎo)思想是：有限目標(biāo)、突出重點、科技領(lǐng)先、形成規(guī)模、開拓市場，在