光电探测器的应用

光电探测器的应用摘要：光电探测技术利用光源在目标和背景上的反射或目标、背景本身辐射电磁波的差异来探测、识别目标并对它们进行跟踪、瞄准。光电探测设备与电子、雷达、声、磁等探测装备相辅相成，互为补充，各有特点，共同组成一个完整的战略、战术侦察探测体系。目前，光电探测主要分为可见光探测、微光探测、红外探测、激光侦察、光电综合探测、卫星光电探测、机载光电探测、舰载光电探测和车载光电探测等多种。1873年，英国W.史密斯发现硒的光电导效应，但是这种效应长期处于探索研究阶段，未获实际应用。第二次世界大战以后，随着半导体的发展，各种新的光电导材料不断出现。在可见光波段方面，到50年代中期，性能良好的硫化镉、硒化镉光敏电阻和红外波段的硫化铅光电探测器都已投入使用。60年代初，中远红外波段灵敏的Ge、Si掺杂光电导探测器研制成功，典型的例子是工作在3～5微米和8～14微米波段的Ge:Au（锗掺金）和Ge:Hg光电导探测器。60年代末以后,HgCdTe、PbSnTe等可变禁带宽度的三元系材料的研究取得进展。所谓光电导探测器就是利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电导效应是内光电效应的一种。当照射的光子能量hv等于或大于半导体的禁带宽度Eg时，光子能够将价带中的电子激发到导带，从而产生导电的电子、空穴对,这就是本征光电导效应。这里h是普朗克常数，v是光子频率,Eg是材料的禁带宽度（单位为电子伏）。光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面。为了避免光生载流子扩散引起图像模糊，连续薄膜靶面都用高阻多晶材料,如PbS-PbO、Sb2S3等。其他材料可采取镶嵌靶面的方法，整个靶面由约10万个单独探测器组成。目前世界上发展比较快的光电探测技术有红外探测技术、激光探测技术以及光电综合探测技术。红外探测系统中包括红外夜视仪和热像仪两大类。热像仪又称前视红外装置。主动红外夜视仪容易暴露自己，作用距离远，目前基本上被热像仪取代。热像仪是夜视装备中的新秀，目前国外200多种型号的第一代热成像仪装备卫星、车辆、飞机、直升机、舰艇、固定阵地、反坦克武器、防空武器，用于远距离侦察、监视、跟踪和探测伪装、地雷、化学战剂等。70年代以后，激光测距机、激光目标指示器、激光雷达等激光侦察设备相继在各国三军中使用。第一代激光测距机以红宝石激光器和光电倍增管探测器为基础，在70年代末以后被性能更先进的第二代和第三代激光测距机取代。第二代激光测距主要采用掺铝钇钕石榴石激光器和硅光电二极管或雪崩光电二极管探测器.由于光电探测装备的成像分辨率高，提供的目标图像清晰，所以在军事领域有广泛用途，大都是被动探测装备，隐蔽性好，不容易被敌方探测；抗干扰性能好。在强电磁对抗环境中，雷达无法工作，光电探测设备担负主要侦察任务；全天候性能好，白天和黑夜都能实施侦察探测。军事侦察对光电探测装备提出的主要性能要求是重量轻、作用距离远、探测和分辨能力强、全天候性能好、功耗低、抗干扰性能好、环境适应性强、生存能力强、价格合理。随着科学技术的进步，光电探测设备从最早的单纯可见光侦察器材发展成为集光机电为一体的现代光电侦察探测器材。计算机、信息处理、图象处理、信息融合、专用微电子、半导体、光纤、数据传输等现代高技术的应用，使光电探测设备的技术性能更加完备。由于现代光电探测装备在搜集战略和战术情报中的重要作用，各国广泛开发在卫星、无人驾驶侦察机、固定翼飞机、直升机、地面机动车辆和固定侦察阵地上应用的光电探测设备，广泛采用各种光电探测器材。激光雷达自60年代末就已经开始研制，目前已经研制成功多各用途的激光雷达的样机，但还未能正式装备部队。地面炮兵激光目标指示器和机载激光指示器已大量装备部队，目前激光目标指示器正在由采用钇钕石榴石激光器向采用CO2激光器发展。光电综合侦察装备将可见光、激光、红外、激光等几种传感技术汇集于一个侦察或侦察攻击系统中，增强了在昼夜、恶劣气候和不良的战场环境条件下对目标的探测和识别能力以及对抗能力。80年代国外光电综合侦察装备发展迅速，目前已有大量成品系统装备飞机、坦克等军用武器系统。现代光电探测装备在军事上可用于战场侦察、战役侦察和战略侦察，用来探测和跟踪洲际导弹的发射，探测洲际导弹发射并和机动洲际导弹的位置，监视空中、地面和地下核武器爆炸试验，探测和跟踪水面舰艇和潜艇的活动，探测地面和地下埋设的地雷，探测化学战剂的使用，探测和跟踪战术导弹和飞机的来袭，探测和监视敌部队和单兵的活动，对战场进行监视以及对敌打击效果的侦察等等。光电探测设备是战略C3I和战术C3I系统的重要组成部分，提供重要的信息。光电导探测器在生活中也有广泛用途，目前当数光电感烟探测技术最为完善。这技术主要应用于火灾探测。在当前火灾探测传感方法中最常用的有两大类，即感温探测和感烟探测。感烟探测有利于早期发现火警，而这个早就是火灾预防追求的核心，所以在火灾监控系统中，感烟探测器的使用占绝大多数。感烟探测器又分为离子型和光电型两大类。早期广泛使用的以离子型居多，光电型则使用较少。似乎原因之一是相比较而言，离子型更敏感于早期阴燃烟(烟粒径更小)。仅就灵敏度这点来说，完全可以从灵敏度设置来解决，它并不是早期人们热衷于离子型感烟探测器的主要原因。其实人们对离子型中的放射源的隐忧是一直存在的，然而由于离子型探头的标定技术易于掌握，实现很容易，产品灵敏度易于保持一致。而光电型探头，起先是环境及杂散光的干扰问题，当光源及光电对管和光迷宫解决之后，干扰问题就基本得到解决。当前一般厂家多困扰于标定技术，较之离子感烟探测器的标定，光电探测器的标定，实施起来相对要难得多，如果方法不当，往往使产品的灵敏度很分散，成品率亦受影响。所以很多厂家仍弃光电型而开发生产离子型。由于经济的发展，社会财富的迅速增长，火灾预防愈受重视。这使得探测器的使用数量急剧增长，离子型探头中放射源的后处理，就成为受到人们关心的一大环保潜在问题。因此，当光电型感烟探头质量有保证，而价格相当时，人们将更愿意选用光电感烟探测器。所以形势正迫使离子型退出霸主地位而让位于光电型探头。尤其今后发展模拟量火灾报警技术，以取代开关量报警技术或准(伪)模拟量探测技术，已是大势所趋。生产出灵敏度一致性合乎要求的光电探头，增加产品合格率，掌握生产中最后一关--高精度的标定技术，就成为必须解决的问题了。光电式感烟探测器由光源、光电元件和电子开关组成。利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号。按照光源不同，可分为一般光电式、激光光电式、紫外光光电式和红外光光电式等4种。a、一般光电式感烟探测器根据其结构特点可分为遮光型和散射型两种。遮光型光电感烟探测器由一个光源（灯泡或发光二极管）和一个光电元件对应装在小暗室内构成。在无烟情况下，光源发出的光通过透镜聚成光束，照射到光电元件上，并将其转换成电信号，使整个电路维持在正常状态，不发出报警。当火灾发生有烟雾进入探测器，使光的传播特性改变，光强明显减弱，电路正常状态被破坏，则发出报警信号。散射光电式感烟探测器的发光二极管和光电元件设置的位置不是对应的。光电元件设置在多孔的小暗室里。无烟雾时，光不能射到光电元件上，电路维持正常状态。而发生火灾时，有烟雾进入探测器，光通过烟雾粒子的反射或散射到达光电元件上，则光信号转换成电信号，经放大电路放大后，驱动自动报警装置发出报警信号。b、激光式感烟探测器。由激光发射机（包括脉冲电源和激光发生器）和激光接收器（包括光电接收器、脉冲放大及报警）组成。它利用激光方向性强、亮度高及单色性和相干性好的特点。在无烟情况下，脉冲激光束射到光电接收器上，转换成电信号，报警器不发出报警。一旦激光束在发射过程中有烟雾遮挡而减弱到一定程度，使光电接收器信号显著减弱，探测器发出报警信号。在种类繁多的激光光源中，半导体激光器由于具有所需激发电压低、效率高、脉冲功率大、器件体积小、耐震、寿命长和价格低廉等优点而受到重视。c、紫外光和红外光感烟探测器。它们具有灵敏度高、性能稳定、可靠、探测方位准确等优点，因而得到普遍重视，并成为目前火灾探测器的重要设备和发展方向。光电式感烟探测器发展很快，种类不断增多，就其功能而言，它能实现早期火灾报警，除应用于大型建筑物内部外，还特别适用于电气火灾危险性较大的场所，如计算机房、仪器仪表室和电缆沟、隧道等处。随着半导体技术的迅速发展，各种类型的光电探测器，如电荷耦合器件、光位置敏感器件、光敏阵列探测器等应运而生，取得了重大进展。进入90年代，光电探测器的发展方向除了开发高速响应光电探测器外，其重点是开发焦平面阵列为代表的光电成像器件。红外焦平面阵列制作技术的日臻完善，使红外探测技术进入了第二代。当前，降低成本是红外探测器在民用领域得到广泛应用的关键。21世纪，红外焦平面阵列开发方向，一是在现有基础上提高分辨率，二是开发多功能和智能化焦平面阵列。我国光电子行业在科研上起步较早，也有一批水平较高的应用成果，其中光纤通信的发展尤快。在国防上的应用也开展较早，如靶场用的激光、红外、电视等光测设备，以及红外导引装置、红外热像仪、激光测距仪、微光夜视仪等。但民用市场开发较晚，真正能形成较大生产规模的产品不多。我国在八五计划期间对一些光电器件企业进行了技术改造，已在九五计划中产生了效益。例如，12英寸彩色液晶显示屏已经在1996年投产。国家重大成套通信设备2.5Gbps同步数字系列（SDH）光通信系统，于1997年研制开发成功，现已广泛应用于国家通信骨干网的建设。鉴于上述情况，我国光电子技术发展战略总的指导思想是：有限目标、突出重点、科技领先、形成规模、开拓市场，在八五、九五计划基础上，使有基础的企业和研究所分别形成规模生产和研究开发中心，使我国光电子元器件初步形成基本配套的产业，满足市场的需要。参考资料：1、光电探测技术胡渝王清正林丛杰编著北京电子工业出版社1989年2、光电探测技术及应用卢春生编著机械工业出版社1992年3月3、光电子技术基础朱京平编著科学出版社2009年1月4、现代军事1997年4月作者：张远广专业：07级电子信息工程