新型紫外攝像器件及應(yīng)用

摘要：新型紫外技術(shù)是繼激光探測(cè)技術(shù)和紅外探測(cè)技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的又一新型探測(cè)技術(shù)。因此，紫外技術(shù)及紫外攝像器件的開發(fā)研究對(duì)于現(xiàn)代國(guó)防和人民生活都有著極其重要的意義。本文集中介紹了3種紫外器件的發(fā)展水平及應(yīng)用領(lǐng)域，并著重對(duì)SiC、GaN紫外探測(cè)器、紫外CCD、紫外攝像機(jī)以及紫外數(shù)字照像機(jī)等紫外器件在國(guó)防及其它領(lǐng)域中的應(yīng)用作了較詳細(xì)的介紹。

關(guān)鍵詞：紫外探測(cè)器 紫外CCD 紫外攝像機(jī) 數(shù)字照相機(jī)

1 引言

早在50年代，人們即開始了對(duì)紫外探測(cè)技術(shù)的研究。紫外探測(cè)技術(shù)是繼紅外和激光探測(cè)技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的一軍民兩用光電探測(cè)技術(shù)。紫外探測(cè)技術(shù)在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，特別是近幾年在皮膚病診斷方面有著獨(dú)特的應(yīng)用效果。利用紫外探測(cè)技術(shù)在檢測(cè)診斷皮膚病時(shí)可直接看到病變細(xì)節(jié)。也可用它來(lái)檢測(cè)癌細(xì)胞、微生物、血色素、白血球、紅血球、細(xì)胞核等，平種檢測(cè)不但迅速、準(zhǔn)確，而且直觀、清楚。但是，由于電子器件的靈敏度低，一起未能廣泛的應(yīng)用。直到90年代，日本開發(fā)出雪崩倍增靶（HARP）攝像管、使得紫外攝像器件獲得了較高的靈敏度和較合適的光譜范圍，紫外攝像器件也因此而獲得廣泛的應(yīng)用。

由于HARP靶攝像管本身體積大，功耗大、工作電壓高，所以，由它組裝的紫外成像系統(tǒng)的體積也較大，而且功耗和成本高，因此限制了紫外成像系統(tǒng)的應(yīng)用?；谶@種情況，在紫外探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，人們一直在開發(fā)和研究能滿足應(yīng)用需要的紫外探測(cè)器、紫外傳感器、紫外CCD等固體紫外攝像器件，并且取得了較大進(jìn)展。在軍事上，它主要用于紫外告警、紫外通訊、紫外/紅外復(fù)合制導(dǎo)和導(dǎo)彈探測(cè)等方面。

2 紫外探測(cè)器件

2.1 紫外探測(cè)器

a.SiC紫外探測(cè)器

該產(chǎn)品是SiC的光激勵(lì)型紫外探測(cè)器。因?yàn)樗粚?duì)波長(zhǎng)40nm以上的光選擇性吸收，所以不需要可見光、近紅外光的保護(hù)濾光片，與硅探測(cè)器相比，其紫外光的吸收要大兩個(gè)數(shù)量級(jí)，并且不需要表面加工處理，可保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。另外，靈敏度和暗電流在使用溫度條件內(nèi)幾乎不受溫度變化的影響，可在700K的高溫下使用。

b.GaN基紫外探測(cè)器

由于GaN材料在365nm（紫外光）波段具有很尖的截止響應(yīng)特性，因而降低了對(duì)濾波器的要求，這使得GaN基的光探測(cè)器具有能夠在不受長(zhǎng)波長(zhǎng)輻射的影響下，在紫外光波段監(jiān)測(cè)太陽(yáng)訊盲區(qū)（Solar Blind）的特性。目前美國(guó)APA光學(xué)公司已經(jīng)在這種新型器件是在藍(lán)寶石襯底上采用GaN肖特基二極管制作而成的。

GaN基紫外探測(cè)器的應(yīng)用包括火焰?zhèn)鞲小⒊粞醣O(jiān)測(cè)、血液分析儀、水銀燈消毒控制、激光探測(cè)器及其它要求具有太陽(yáng)盲區(qū)特性方面的應(yīng)用。

2.2 紫外傳感器

1999年初，美國(guó)科羅拉多（Colorrado）洲衛(wèi)生保健制器公司推出一種可準(zhǔn)確測(cè)量太陽(yáng)紫外線的傳感器，并已以市場(chǎng)出售。

該傳感器裝有兩個(gè)刻度儀，一個(gè)是用來(lái)顯示日光浴者的皮膚類型，因?yàn)椴煌钠つw類型的抗輻射能力不同；另一個(gè)刻度儀是顯示護(hù)膚指數(shù)的，即日光浴者使用的防曬制器的效能指數(shù)。使用這種傳感器可以測(cè)量出太陽(yáng)紫外強(qiáng)度和對(duì)皮膚或浴衣的照射量以及日光照射時(shí)間的安全量。綜可以使日光浴者當(dāng)場(chǎng)即可測(cè)出紫外線對(duì)皮膚的輻射程度，并能告訴人們什么時(shí)候的日光最適合日光浴。

1999年日本大坂氣體公司在MOVPEE生長(zhǎng)的AlxGal-xN上制備成低強(qiáng)度紫外光電探測(cè)器。在低位錯(cuò)密度層（6×10 7～1×10 9cm -2）上制備的金屬—半導(dǎo)體—金屬（MSM）探測(cè)器可顯示非常低的暗電流（在10V下低于50fA），并在紫外和可見光之間得到了3個(gè)數(shù)量級(jí)的衰減比，其截止波長(zhǎng)在X=0和X=0.43時(shí)分別為365nm和270nm。另外，該公司還利用AlGaN研制成AlGaN紫外（365nm）光電二極管陣列。

2.3 紫外CCD

一般紫外輻射的波長(zhǎng)范圍為100nm～400nm。紫外（UV）光子在硅中的吸收系數(shù)是很高的。由于CCD是MOS結(jié)構(gòu)器件，SiO2柵介質(zhì)和多晶硅（Poly-Si）柵對(duì)UV光子均有較高的吸收系數(shù)。因此，CCD用于UV光子探測(cè)是非常困難的，因?yàn)閁V光子幾乎不能到達(dá)硅襯底。

為了避免UV光子在CCD表面多層結(jié)構(gòu)中被吸收，目前采用的方法是：

（1）在CCD表面淀積一層對(duì)UV光子敏感的磷光特質(zhì)，并通過(guò)適當(dāng)選擇磷光物質(zhì)，將紫外信息轉(zhuǎn)換成與CCD光譜響應(yīng)相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。這種磷光物質(zhì)可以選擇暈苯。當(dāng)受波長(zhǎng)小于0.4μm(400nm)的紫外輻射激發(fā)時(shí)，暈苯發(fā)出熒光，其在可見光譜的綠光波段，峰值接近500nm。CCD在覆蓋暈苯前后的光譜響應(yīng)如圖1所示；

（2）采用背面照射方式，要形成電荷載流子的產(chǎn)生區(qū)和收集區(qū)，CCD襯底必須減薄，減薄后的厚度典型值約為10μm。當(dāng)然，減薄工藝及隨后進(jìn)行的精細(xì)處理增加了制作難度，但對(duì)UV探測(cè)而言是值得的。背面減薄引起的一個(gè)主面難題是在硅的腐蝕表面通常有高濃度的復(fù)合中心。UV光子在靠近硅背面的表面處被吸收以產(chǎn)生電子空穴對(duì)。許多光電子在被收集到CCD正面之前已被復(fù)合掉。為了解決此問(wèn)題，通過(guò)注入在已減薄的CCD背面形成一很淺的P層的方法可產(chǎn)生一個(gè)附加電場(chǎng)，從而將光生電子驅(qū)趕到正面而不被復(fù)合掉。當(dāng)然，注入后再進(jìn)一步進(jìn)行高溫處理對(duì)器件不利，但可以采用快速激光退火來(lái)解決；

（3）采用深耗盡CCD方法。采用輕摻雜、高電阻率被底，CCD柵下的耗盡區(qū)被擴(kuò)展至硅片背而。由背面入射的UV光子產(chǎn)生的電子被耗盡區(qū)中的電場(chǎng)掃進(jìn)正面。這種深耗盡CCD方法不僅避免了多晶硅柵的吸收，而且避免了常規(guī)摻雜濃度背照CCD必須的減薄。耗盡方法的另一優(yōu)點(diǎn)是硅片后的高溫工序可以進(jìn)行，并可獲得各種各樣的鈍化結(jié)構(gòu)。

圖1給出了CCD表面淀積磷光體前后的光譜響應(yīng)。

圖2給出深耗盡CCD的剖面結(jié)構(gòu)。背面注入的P+層可通過(guò)降低器件暗電流和增加量子效率來(lái)改善CCD背面的特性。這種深耗盡CCD襯底的厚度大約為150μm，電阻率為4kΩ.cm～10kΩ.cm。

深耗盡CCD方法的缺點(diǎn)是暗電流長(zhǎng)，暗電流隨空間電荷區(qū)的體積線性增加。在室溫時(shí)暗電流較大，但暗電流將隨溫度的降低顯著下降。對(duì)大多數(shù)學(xué)科的UV應(yīng)用來(lái)說(shuō)，都很容易實(shí)現(xiàn)致冷，因而暗電流不再是一個(gè)問(wèn)題。

紫外CCD是將硅CCD減薄后涂熒光物質(zhì)把紫外光耦合進(jìn)器件的，它可使器件具有在波長(zhǎng)從真空紫外到近紅外波段攝像的能力。1997年美國(guó)國(guó)家航空航天局研制成功新穎的256×256像元GaN紫外CCD，它是把GaN紫外光探測(cè)器與硅CCD多路傳輸器通過(guò)銦柱倒裝互連而成的混合紫外CCD。從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，隨著GaN、SiC和AlGaN紫外光探測(cè)器工藝技術(shù)的不斷改善，GaN、SiC和AlGaN紫外CCD將是今后紫外成像器件的主要發(fā)展方向。并將廣泛用于軍民兩用領(lǐng)域，特別是在軍事上（如紫外告警、紫外通訊、紫外/紅外復(fù)合制導(dǎo)等）的應(yīng)用更將引起軍方的極大關(guān)注。

紫外CCD攝像機(jī)是以δ(delta)摻雜CCD技術(shù)為基礎(chǔ)的，它包括一個(gè)2.5nm厚的硅摻雜層，該摻雜層用分子束外延（MBE）生長(zhǎng)在一個(gè)薄的CCD背面，δ摻雜能增強(qiáng)對(duì)由紫外光子照射產(chǎn)生的電子的探測(cè)能力，效率幾乎可達(dá)200%，為增強(qiáng)0.3～0.7μm的靈敏度，可在傳感器陣列涂上抗反射涂層，這樣可使激活區(qū)的畫面?zhèn)鬟f達(dá)到256×512像元，有效速度為30幀/秒，為便于攝像機(jī)操作，其中還可裝入實(shí)用的電子部件。

1998年，日本濱板公司開發(fā)成功了新型紫外固體攝像器件—薄型背照式電荷耦合器件（BT—CCD=Back Thinned Charge Coupled Device），由于采用了特殊的制造工藝和特殊的鎖相技術(shù)，該BTCD不僅具有固體攝像器件的一般優(yōu)點(diǎn)，而且具有噪聲低，靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大的優(yōu)點(diǎn)。

BTCCD是一種薄型背照式攝像器件，它主要由三部分組成：垂直CCD移位寄存器，水平CCD移位寄存器和鎖定放大器。在時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下，信號(hào)電荷由垂直CCD移位寄存器一步一步地輸送到水平CCD移位寄存器，再由鎖相（定）放大器變換成電壓信號(hào)輸出。其框圖如圖3所示。

其中鎖相放大器作用較重要，它有很高的電荷—電壓變換靈敏度和很低的噪聲，因而它的信噪比和靈敏度都很高。

BTCCD有很高的紫外光靈敏度，它在紫外波段的量子效率如圖4所示。從圖中可以看到，在紫外波段，量子效率超過(guò)40%，可見光部分超過(guò)80%，甚至可以達(dá)到90%左右?？梢姡珺TCCD不僅可工作于紫外光，也可工作于可光。因此BTCCD是一種很優(yōu)秀的寬波段攝像器件。

BTCCD之所以有很高的靈敏度，這主要是由其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的。首先，與FI-CCD相比，硅層厚度從數(shù)百微米減薄到20μm以下；其次，它采用背照射結(jié)構(gòu)，因此紫外光不必再穿越鈍化層。

另外，濱松公司又開發(fā)出MOS（Metal Oxide Semiconductor）攝像器件，這種紫外線MOS攝像器件的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，制造也相對(duì)容易。它的量子效率如圖5所示。它在紫外區(qū)的量子效率可達(dá)30%，并有較高的紫外光靈敏度。

BTCCD攝像器和MOS攝像器的比較如表1所列。從表1看到，BTCCD確有很高的性能。

表1 BT-CCD和MOS攝像器的比較

2.4 紫外成像器件

由于硅在200～400nm波段內(nèi)的吸收深度小，因此在紫外波段內(nèi)進(jìn)行成像比較困難。然而現(xiàn)在人們已經(jīng)找到能夠達(dá)到良好紫外響應(yīng)的許多方法，Photometrics公司采用在正面照射的CCD上加一輻射轉(zhuǎn)換成普通CCD能夠響應(yīng)的中等波長(zhǎng)的可見光而不需要對(duì)硅本射作專門的處理。在這種情況下，正面照射的CCD在200～400nm的波段內(nèi)可達(dá)到20%的量子效率。

如再經(jīng)過(guò)適當(dāng)背面注入處理，涂有特制抗反射涂料并且具有深耗盡層的背面照射CCD在200～400nm波段內(nèi)可達(dá)到50%以上的量子效率。在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)中首次推出的金屬閃光柵可用來(lái)代替背照射CCD的注入后經(jīng)退火的背面。另一種方法是在薄型CCD背面放置一發(fā)光層，這同正面照射方法相似，但量子效率卻比較高。

目前Sarnoff研究中心的紫外研究工作有兩個(gè)方向：第一個(gè)方向是研制線陣和隔行轉(zhuǎn)移列陣格式的CMOS/CCD?，F(xiàn)已證明，這種方法所產(chǎn)生的探測(cè)器隨著時(shí)間和表面電荷的變化能保持高度的穩(wěn)定性；第二個(gè)方向是為海洋研究公室研究一種薄型背面照射技術(shù)，模擬證明，這種技術(shù)可以在深真空紫外波段（10nm）獲得30%以上的穩(wěn)定量子效率，并可研制出大規(guī)模CCD。在真空紫外以下，硅CCD已可用來(lái)在遠(yuǎn)紫外（10～100nm）和軟X射線（0.1～10nm）波段內(nèi)成像。

2.5 GaN紫外攝像機(jī)

對(duì)于各種應(yīng)用來(lái)說(shuō)（從跟蹤導(dǎo)彈發(fā)射到研究遠(yuǎn)距離星體），能觀察紫外線是很有用的。然而以硅為基礎(chǔ)的探測(cè)器不是捕獲紫外線的最好辦法。為了改進(jìn)這一技術(shù)，北卡羅來(lái)納大學(xué)的研究人員與美國(guó)陸軍夜視實(shí)驗(yàn)室合作研制了一種以GaN為基礎(chǔ)的可見光盲紫外攝像機(jī)。

這種攝像機(jī)包含一個(gè)32×32GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)PIN光電二極管陣列。底層為n摻雜的GaN，具有接近20%的Al,其上是一層非摻雜的GaN層，再上是一層P摻雜的GaN層。整個(gè)結(jié)構(gòu)建立在一個(gè)光能穿過(guò)的拋光的藍(lán)寶石基底上。每一個(gè)光電二極管都對(duì)320nm～365nm的光波具有敏感的響應(yīng)。波長(zhǎng)小于320nm的光被AlGaN底層吸收，波長(zhǎng)長(zhǎng)于365nm的光穿過(guò)GaN。增加底層和頂層Al的含量可改變光電二極管的帶寬。

由于紫外攝像機(jī)的潛在國(guó)防應(yīng)用前景，這項(xiàng)工作獲得了陸軍研究辦公室和國(guó)防高級(jí)研究項(xiàng)目的資助。該項(xiàng)工作的參加者還包括哈尼維爾技術(shù)中心的研究人員。軍事應(yīng)用希望太陽(yáng)盲式紫外探測(cè)器能在250nm～280nm波段成像，這樣依能跟蹤導(dǎo)彈的載入而不為太陽(yáng)光所干擾。Schetzina說(shuō)：“我們還沒(méi)有作到這一點(diǎn)，這將是下一步的事”。

1999年美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)夜視實(shí)驗(yàn)室和霍尼威爾技術(shù)中心研制出1024像元的AlGaN紫外光電二極管陣列，該陣列響應(yīng)波長(zhǎng)為365nm，目前，他們已用該陣列組裝成數(shù)字紫外攝像機(jī)。

另外，美國(guó)紐約州的COOK公司也向市場(chǎng)提供了Dicam-pro型增強(qiáng)式制冷型CCD相機(jī)，它的曝光時(shí)間很短，僅3ns。CCD相機(jī)的像元數(shù)為1280×1024元，并具有12bit的動(dòng)態(tài)范圍。其工作波段位于近紅外-紫外波段。這種相機(jī)可用于熒光分析，化學(xué)熒光分析、光譜分析、彈道分析、生物熒光分析、高速流體分析、電源現(xiàn)象分析以及PIV成像等系統(tǒng)?？捎霉饫|傳輸從相機(jī)到PCI接口板的串行數(shù)據(jù)。

2.6 紫外CCD攝像機(jī)

a.紫外/X光CCD攝像機(jī)

APP公司與CEA公司合作，研制出一種稱為ANIMATERV3X的數(shù)字成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)的靈敏度為數(shù)電子伏至數(shù)千電子伏。它采用的是512×512元的高分辨率傳感（TH7895A），這是一種背面照射的薄型CCD傳感器，其敏感波段可延伸至短紫外和軟X射線區(qū)域。入射輻射可直接照在CCD器件，產(chǎn)生的信息在攝像機(jī)頭部經(jīng)數(shù)字化處理后，通過(guò)光纖可傳送給接口卡。ANIMATERV3V的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠在紫外和X光段內(nèi)成像。

b.紫外數(shù)字照相機(jī)

日益普及的數(shù)字照相機(jī)現(xiàn)在又迎來(lái)了一個(gè)表的家庭成員，美國(guó)一些科學(xué)家發(fā)有了可以感應(yīng)紫外光的數(shù)字照相機(jī)。

由于紫外光的波長(zhǎng)比可見光短，因而它又叫做“黑光”，因?yàn)樗梢砸鹉承┎牧显诤诎抵邪l(fā)光。一般的數(shù)字照相機(jī)只能“看見”人們內(nèi)眼所看見的可見光（有時(shí)稱為“白光”），但許多物體（如星球、生化武器）所發(fā)出的紫外光是普通的數(shù)字照相機(jī)所不能看到的。

北卡羅來(lái)納州立大學(xué)固體物理實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家Jan F.Schetzina表示，這個(gè)發(fā)明對(duì)拓展數(shù)字照相機(jī)的使用范圍有很大的促進(jìn)作用。

這項(xiàng)研究由美國(guó)陸軍研究辦公室和國(guó)防部高級(jí)研究項(xiàng)目管理局提供資金，這種照相機(jī)顯然在軍事上很有用，但它也可以用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如發(fā)現(xiàn)早期皮膚癌等。這種照相機(jī)的工作原理與其它普通的數(shù)字照相機(jī)相類似，不同之處在于它使用AlGaN化合物來(lái)作為感光物質(zhì)，而不是使用傳統(tǒng)的硅作為感光物質(zhì)。

c.紫外攝像用PtSi-SBIRFPA技術(shù)

1990年麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室研制成功了160×244元硅化鉑肖特基勢(shì)壘紅外CCD（Ptsi-SBITCCD），它的像元尺寸為40×80μm2；填充系數(shù)為39%；探測(cè)器的有效面積為25×50μm2。紫外、可見光和紅外光子產(chǎn)生的電子在PtSi電極積累后轉(zhuǎn)移到埋溝CCD溝道。電荷轉(zhuǎn)移控制由施加到CCD轉(zhuǎn)移柵上的三電平時(shí)鐘信號(hào)控制。Al光掩蔽層用于阻止CCD溝道和轉(zhuǎn)移柵中因更大帶隙輻射而產(chǎn)生的載流子。

1998年日本濱松光電子公司固體事業(yè)部采用芯片背面減薄技術(shù)成功的制作了紫外光譜區(qū)攝像應(yīng)用PtSi-SBIRFPA,其瑾為S7030、S7031和S7032系列。

S7030、S7031和S7032系列產(chǎn)品具有低噪聲和高靈敏度的特點(diǎn)，是紫外區(qū)的高靈敏度器件，比世界同類器件從紫外到可見光區(qū)的量子效率要高1倍，同時(shí)動(dòng)態(tài)范圍并可多相位驅(qū)動(dòng)。偈元數(shù)為1024×256元、512×128元、512×64元，最大讀出頻率為1MHz；轉(zhuǎn)移效率99.995%；功耗為15mW；暗電流為200個(gè)電子/像元·秒（℃C，CMMP驅(qū)動(dòng)時(shí)）；在5～6℃時(shí)，其暗電流將降低到原來(lái)1/2，它的敏感波長(zhǎng)為120～200nm，量子效率大于50%。

3 紫外器件的主要應(yīng)用

3.1 導(dǎo)弱探測(cè)新技術(shù)

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局正在資助開發(fā)一種紫外線感應(yīng)材料技術(shù)，這種技術(shù)有望把導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出的錯(cuò)誤警報(bào)降低到最低限度，并減少傳感器的復(fù)雜性和成本。

目前使用的AAR-57和AAR-54等被動(dòng)式導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)必須設(shè)法區(qū)分由來(lái)襲導(dǎo)彈發(fā)出的紫 外線和諸如太陽(yáng)等無(wú)威脅的紫外線源。

據(jù)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局負(fù)責(zé)這種技術(shù)研究的埃德加·馬丁內(nèi)斯說(shuō)，這項(xiàng)研究旨在開發(fā)出一種諸如鋁鎵氮（AlGaN）的新型探測(cè)材料，它對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的、太陽(yáng)射線中沒(méi)有的一種窄波段紫外線波長(zhǎng)非常敏感。這種技術(shù)將使導(dǎo)弱預(yù)警系統(tǒng)能夠探測(cè)出從上方飛來(lái)的導(dǎo)彈，并使探測(cè)紫外線的導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)更加有效地為地面武器系統(tǒng)預(yù)警。

目前，已有十多所大學(xué)和半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu)獲得了國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局這項(xiàng)耗資600萬(wàn)美元的研究合同。工程師們預(yù)計(jì)，這種新材料將大大增加導(dǎo)彈的探測(cè)范圍，并降低傳感器的成本。

3.2 軍事紫外領(lǐng)域

a.紫外制導(dǎo)

盡管紅外制導(dǎo)是目前導(dǎo)彈的主流制導(dǎo)方式，但隨著紅外對(duì)抗技術(shù)的日趨成熟，紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的功效將受到嚴(yán)重威脅。為了反紅外對(duì)抗技術(shù)，制導(dǎo)技術(shù)正在向雙色制導(dǎo)方面發(fā)展，這其中也包括紅外-紫外雙色制導(dǎo)方式。在受到敵方紅外干擾時(shí)，仍可使用紫外探測(cè)器探測(cè)目標(biāo)的紫外輻射，并把導(dǎo)彈導(dǎo)引至目標(biāo)以進(jìn)行攻擊。據(jù)報(bào)道，美國(guó)及北約盟軍的陸海軍在1989年裝備使用的尾刺（Stinger Post）對(duì)空導(dǎo)彈中就采用了這種紅外-紫外雙色制導(dǎo)技術(shù)。美國(guó)研制的這種導(dǎo)彈就利用了紅外/紫外雙色制導(dǎo)技術(shù)，白天飛機(jī)反射的日光的紫外波段功率很強(qiáng)，則用紫外波段跟蹤目標(biāo)。夜晚紫外波段輻射功率小于紅外輻射，則自動(dòng)切換成紅外波段跟蹤目標(biāo)。美國(guó)的“毒剌”導(dǎo)彈就采用紫外/紅外復(fù)合尋的器，法國(guó)的“西北風(fēng)”導(dǎo)彈也采用多元紅外/紫外復(fù)合尋的制導(dǎo)方式。

b.紫外告警

為了對(duì)付導(dǎo)彈的威脅，導(dǎo)彈入侵報(bào)警器是必要的設(shè)備。目前的導(dǎo)彈入侵報(bào)警方式主要采用雷達(dá)工作的主動(dòng)式報(bào)警和包括紅外、激光和紫外告警為主的被動(dòng)式報(bào)警。

紫外告警探測(cè)器是通過(guò)探測(cè)導(dǎo)彈尾焰中的紫外線輻射來(lái)探測(cè)目標(biāo)的。表2列出了低空時(shí)使用不同燃料的導(dǎo)彈的尾焰輻射特征。可以看出，任何尾焰中都含有近紫外（NUV）和中紫外（MUV）線，這為紫外導(dǎo)彈告警提供了可能，國(guó)外已研制成功了多種紫外報(bào)警器。美國(guó)洛拉爾公司在1998年就為美國(guó)海軍的C-1305直升機(jī)和P-3S運(yùn)輸機(jī)研制成世界上第一臺(tái)新型的AAR-47紫外告警系統(tǒng)，它在太陽(yáng)光的中紫外盲區(qū)內(nèi)探測(cè)導(dǎo)彈羽煙的紫外輻射，從而解決了紅外告警系統(tǒng)的虛告警問(wèn)題，并很快裝備了美軍。在1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中投入實(shí)戰(zhàn)后，又改進(jìn)為AAR-47A和AAR-47B。美國(guó)西屋公司在美國(guó)海軍的資助下也研制出PMAWS-2000紫外報(bào)警器，主要裝備在各種戰(zhàn)斗機(jī)，坦克和裝甲車上。在1993年到1994年末，美國(guó)海軍對(duì)PMAWS-2000進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。紫外告警系統(tǒng)在問(wèn)世不到10年的時(shí)間內(nèi)就發(fā)展了兩代產(chǎn)品十余種型號(hào)，從而迅速成為機(jī)載導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

表2 低空（5km以下）火箭尾焰的特征輻射

紫外告警系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)是將響應(yīng)波段置于太陽(yáng)光的中紫外盲區(qū)，由于在這個(gè)波段內(nèi)幾乎沒(méi)有自然光輻射，因而背景噪聲非常小，從而減輕了信號(hào)處理的負(fù)擔(dān)，使得紫外告警系統(tǒng)能將虛告警率控制在很低的程度。目前，美國(guó)研制的第一代紫外型導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)是以光電倍增管為探測(cè)器的；而第二代紫外型導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)（MAWS）則以多元或面陣器件為核心探則器。

紫外告警是利用“太陽(yáng)光譜盲區(qū)”的紫外波段探測(cè)導(dǎo)彈的光焰與羽焰，由于它對(duì)太陽(yáng)光和普通燈光均不敏感，因而虛警率低；同時(shí)它不需要低溫冷卻，不掃描，告警器體積小、重量輕。所以，紫外告警以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)日益博得人們的青睞，在導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)（MAWS）的發(fā)展中占有極其重要的地位。隨著紫外傳感器技術(shù)的不斷完善。紫外告警系統(tǒng)將為導(dǎo)彈告警提供更有效的手段。

c.紫外干擾

紅外/紫外雙色制導(dǎo)導(dǎo)彈的出現(xiàn)，必然導(dǎo)致紅外/紫外雙色干擾技術(shù)的發(fā)展，紫外干擾的關(guān)鍵是研制出具有足夠強(qiáng)的紫外輻射，并且火藥裝添制成的具有紫外干擾能力的干擾彈。

d.紫外通訊

紫外通訊是一種具極大發(fā)展?jié)摿Φ男滦屯ㄓ嵎绞健Ｋ邆淞嗽S多其它常規(guī)通訊方式所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，如低竊聽率，高抗干擾性、低位辨率、全天候工作等，所以受到對(duì)通訊保密性、機(jī)動(dòng)性要求較高的部門的廣泛重視。

美國(guó)在紫外通訊系統(tǒng)的研制方面有重大投資。在美國(guó)，20世紀(jì)90年代初即研制出低功率紫外通訊系統(tǒng)，目前已有紫外通訊系統(tǒng)的成品出現(xiàn)，并成功地將此技術(shù)應(yīng)用于空間飛行器與衛(wèi)星間的秘密通訊及海軍戰(zhàn)艦之間以及戰(zhàn)艦與艦載機(jī)的聯(lián)絡(luò)等方面。

e.紫外探測(cè)技術(shù)

紫外探測(cè)方法很多，大致可分為三類。如表3所列，紫外探測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題有以下幾種：

表3 紫外探測(cè)方法一覽表

（1）紫外線大氣傳輸理論和散射模型的建立

紫外線大氣傳輸理論和散射模型以及仿真系統(tǒng)的建立是關(guān)鍵問(wèn)題之一。在眾多的紫外應(yīng)用領(lǐng)域尤其是軍事應(yīng)用中，無(wú)論是主動(dòng)式的“紫外通訊”、“紫外干擾”還是被動(dòng)式的“紫外制導(dǎo)”、“紫外告警”，均涉及紫外在大氣中的傳輸問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)人們的注意力絕大多數(shù)集中在可見光與紅外輻射特性及其大氣傳輸特性的研究上。對(duì)紫外傳輸特性的研究很少。加之紫外傳輸涉及多次散射這樣一個(gè)是及其復(fù)雜的問(wèn)題，因此，上述內(nèi)容的研究就成為紫外探測(cè)及應(yīng)用技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

（2）高靈敏度紫外探測(cè)器件的研制

高靈敏度、低噪聲紫外探測(cè)器件的研制是紫外探測(cè)技術(shù)的另一關(guān)鍵。目前，紫外探測(cè)器有如下幾類：紫外真空二極管、分離型紫外光電倍增管（UV-PMT），成像型紫外變像管、紫外增強(qiáng)器及紫外攝像管等。而是新的一種是帶微通道的光電倍增管（MCP-PMT），它具有響應(yīng)速度憐惜，抗磁場(chǎng)干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕且供電電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。目前帶有MCP結(jié)構(gòu)的近貼式聚焦型紫外變像管及增強(qiáng)器以及與之相應(yīng)的自掃描陣列也已經(jīng)出現(xiàn)，并被用于紫外探測(cè)衛(wèi)星、空間防務(wù)及火箭-導(dǎo)弱尾焰紫外探測(cè)等方面。

另外在固體紫外探測(cè)器件方面亦有發(fā)展，目前增強(qiáng)型硅光電二極管、GaAsP和GaP加膜紫外固體器件、GaN紫外探測(cè)器、紫外CCD（UV-CCD）等器件都已在開發(fā)研究之中。

（3）低噪聲信息處理系統(tǒng)

低噪聲信息處理系統(tǒng)的形成是紫外探測(cè)技術(shù)的又一關(guān)鍵問(wèn)題。紫外探測(cè)系統(tǒng)一般是一個(gè)微弱信號(hào)接收處理系統(tǒng)；常常要經(jīng)過(guò)信號(hào)采集、光電轉(zhuǎn)換和放大、調(diào)制解調(diào)以及編碼-解碼等過(guò)程，尤其是干擾和去噪聲問(wèn)題尤為突出。對(duì)于來(lái)自多方面的噪聲（如熱噪聲、散彈噪聲、低頻噪聲、放大器噪聲等），必須進(jìn)行有效的處理（如相關(guān)處理、鎖定放大、信號(hào)平均、自適應(yīng)噪聲抵消、低噪聲前置放大、抑制電磁感應(yīng)與靜電感應(yīng)等外界干擾），以降低噪聲，提高系統(tǒng)信噪比。而單光子計(jì)數(shù)又是極弱光探測(cè)的一個(gè)非常有效的探測(cè)技術(shù)，人們常常使用該方法來(lái)解決紫外探測(cè)問(wèn)題。

此外，在民品市場(chǎng)，紫外探測(cè)器也同樣具有廣泛的應(yīng)用。就紫外像增強(qiáng)管而言，由它作為核心器件構(gòu)成的成像儀在公安刑偵部門極為有用。譬如：在刑事犯罪現(xiàn)場(chǎng)，用該成像儀可在非滲透性的光滑表面如陶瓷、打臘的地板、油漆家俱表面、相片等特體表面觀察到反差加強(qiáng)的犯罪分子遺留下的無(wú)色汗液指紋；如果外接監(jiān)視器，則可在海關(guān)、考古、環(huán)保等領(lǐng)域用于攝取有用信息。另外，光電倍增管及其它器件在生物醫(yī)學(xué)、天文研究、同步輻射、光譜分析、粒子探測(cè)以及閃光照相等諸多領(lǐng)域也將得到廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)論

紫外探測(cè)技術(shù)是繼激光深測(cè)技術(shù)和紅外探測(cè)技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的又一種新穎探測(cè)技術(shù)。在紫外探測(cè)技術(shù)中，主要有紫外探測(cè)器和紫外攝像器件，近幾年來(lái)該技術(shù)發(fā)展很快，至今已研制出了紫外MOS圖像傳感器，GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)PIN光電二極管陣列、SiC、GaN紫外探測(cè)器、紫外CCD以及用于紫外攝像的BT-CCD的PtSi-SBIRF-PA等。紫外CCD的研究進(jìn)展慢于可見光和紅外CCD的原因是因?yàn)樽贤廨椛渑c用于半導(dǎo)體工藝材料之間的相互作用的許多問(wèn)題在前幾年還未解決，但隨著研究工作的不斷深入，特別是近幾年來(lái)GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)PIN光電二極管陣列的問(wèn)世，將加速GaN/AlGaN紫外攝像器件的發(fā)展速度，并終將成為紫外探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的佼佼者。紫外探測(cè)技術(shù)是近幾年來(lái)研究最熱門的軍民兩用光電探測(cè)技術(shù)之一，它是一種被動(dòng)探測(cè)。隨著紫外探測(cè)器和紫外攝像器件制造技術(shù)的不斷發(fā)展，紫外探濁技術(shù)必將成為重要的軍事裝備技術(shù)之一。