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銦鎵砷光電探測器及其焦平面陣列 版權信息
- ISBN：9787030720948
- 條形碼：9787030720948 ; 978-7-03-072094-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
銦鎵砷光電探測器及其焦平面陣列 內(nèi)容簡介
本書介紹了航天遙感及其他相關應用領域?qū)怆娞綔y器和焦平面器件需求，回顧了InGaAs材料和光電探測器發(fā)展沿革，在此基礎上討論了空間遙感對短波紅外InGaAs光電探測器及焦平面器件的特殊要求及光伏型器件的基本特性，并對外延材料生長、芯片和焦平面制作工藝、組件封裝和組裝技術以及材料、器件和組件的測試表征相關技術等各方面進行了詳細完整的介紹和討論，并結(jié)合多年的發(fā)展和技術積累對相關實例進行了詳細說明。此外，本書也對近年來InGaAs光電器件的一些新發(fā)展做了介紹。
銦鎵砷光電探測器及其焦平面陣列 目錄
目錄
第1章 空間遙感與光電探測 1
1.1 引言 1
1.2 空間遙感及其應用 2
1.2.1 電磁波譜及其波段劃分 2
1.2.2 大氣層及其透射窗口 4
1.2.3 空間遙感技術及其應用 5
1.3 光電探測及其空間應用 12
1.3.1 光電探測基本原理 12
1.3.2 典型光電探測儀器 13
1.3.3 光電探測器 14
1.3.4 紅外探測器的空間應用 16
1.4 空間遙感對光電探測器的需求 19
1.4.1 空間遙感應用的基本要求 19
1.4.2 紅外探測器（焦平面）的主要參數(shù) 20
1.4.3 系統(tǒng)對紅外探測器（焦平面）的要求 21
1.5 銦鎵砷光電探測器及其空間應用 22
1.5.1 銦鎵砷光電探測器 22
1.5.2 銦鎵砷探測器的空間應用 23
1.6 小結(jié) 26
參考文獻 27
第2章 近紅外／短波紅外特點及銦鎵砷器件應用特色 28
2.1 引言 28
2.2 空間應用 28
2.3 光譜傳感應用 39
2.4 其他應用 41
2.5 小結(jié) 45
參考文獻 45
第3章 銦鎵砷的前世今生 48
3.1 引言 48
3.2 InGaAs系材料的緣起鉤沉 49
3.3 InGaAs系材料的基本特性 53
3.4 InGaAs與光纖通信的淵源 65
3.5 InGaAs與其他材料體系的比較 69
3.6 小結(jié) 72
參考文獻 72
第4章 光伏型光電探測器的基本特性及表征 76
4.1 引言 76
4.2 靜態(tài)特性 77
4.2.1 IV特性 78
4.2.2 光響應特性 85
4.2.3 光譜特性 88
4.2.4 抗輻照特性 90
4.3 動態(tài)特性 93
4.3.1 CV特性 93
4.3.2 瞬態(tài)特性 95
4.3.3 黑體響應 103
4.3.4 噪聲特性 107
4.4 優(yōu)值系數(shù)與評估規(guī)則 109
4.4.1 優(yōu)值系數(shù)D 110
4.4.2 優(yōu)值系數(shù)R 0A 111
4.4.3 評估規(guī)則Rule 07 111
4.4.4 評估規(guī)則IGARule 17113
4.5 小結(jié) 117
參考文獻 118
第5章 銦鎵砷光電探測材料外延生長技術 121
5.1 引言 121
5.2 主要外延生長技術 121
5.2.1 液相外延（LPE） 122
5.2.2 氣相外延（VPE） 124
5.2.3 分子束外延（MBE） 130
5.3 氣態(tài)源分子束外延（GSMBE） 132
5.3.1Ⅲ族源 132
5.3.2Ⅴ族源 133
5.3.3 生長設備 136
5.4 InGaAs光電探測器材料的GSMBE生長 136
5.4.1 晶格匹配材料 137
5.4.2 波長擴展材料 141
5.5 小結(jié) 153
參考文獻 153
第6章 材料特性表征方法與技術 159
6.1 引言 159
6.2 結(jié)構(gòu)特性 160
6.2.1 晶體結(jié)構(gòu)、晶格參數(shù)、失配度及組分 160
6.2.2 表面形貌顯微分析 170
6.2.3 微觀狀態(tài)、缺陷及成分分析 175
6.3 光學與光電特性 183
6.3.1 吸收與反射特性 183
6.3.2 發(fā)光特性 189
6.3.3 材料均勻性表征及其與FPA性能的關聯(lián) 194
6.4 電學與輸運特性 197
6.4.1 載流子濃度、遷移率 197
6.4.2 載流子壽命、擴散系數(shù)和擴散長度 204
6.4.3 缺陷能級與密度 206
6.5 小結(jié) 208
參考文獻 208
第7章 InGaAs光電探測器及焦平面工藝技術 211
7.1 引言 211
7.2 器件結(jié)構(gòu)設計與模擬 212
7.3 器件制造標準工藝 215
7.4 成結(jié)工藝 218
7.4.1 刻蝕成結(jié)技術 218
7.4.2 擴散成結(jié)技術 220
7.5 表面鈍化 223
7.6 歐姆接觸 227
7.7 光敏芯片陣列與讀出電路的混成工藝 229
7.8 小結(jié) 234
參考文獻 234
第8章 光電探測器及焦平面的封裝與可靠性技術 237
8.1 引言 237
8.2 光電探測器組件及其封裝技術 239
8.2.1 組件封裝定義、功能與類型 239
8.2.2 典型微電子封裝技術 240
8.2.3 探測器制冷與低溫封裝技術 244
8.2.4 銦鎵砷探測器的封裝技術 247
8.3 組件封裝設計技術 249
8.3.1 組件封裝總體設計技術 249
8.3.2 封裝結(jié)構(gòu)與模擬 252
8.3.3 光學參數(shù)與雜散光抑制 254
8.3.4 電子學功能與噪聲控制 255
8.3.5 溫度與熱力學設計 256
8.3.6 光電性能與封裝關聯(lián)性 256
8.3.7 組件可靠性與長壽命設計 257
8.4 封裝技術關鍵材料與元件研究 260
8.4.1 封裝結(jié)構(gòu)材料 260
8.4.2 封裝密封與焊接材料 263
8.4.3 電極及引線材料 265
8.4.4 組件關鍵元件 266
8.5 封裝技術關鍵工藝研究 268
8.5.1 模塊化拼接與平面度控制 268
8.5.2 密封焊接工藝 274
8.5.3 電極引線技術 277
8.5.4 其他封裝工藝技術 279
8.6 組件封裝的測試與可靠性試驗 279
8.6.1 組件漏熱測試 279
8.6.2 組件漏率測試 282
8.6.3 組件可靠性試驗 283
8.6.4 組件壽命試驗 287
8.7 小結(jié) 292
參考文獻 292
第9章 短波紅外InGaAs焦平面讀出電路 294
9.1 引言 294
9.2 紅外焦平面讀出電路 294
9.2.1 CMOS與CCD兩種讀出方式的比較 295
9.2.2 CMOS讀出電路設計與工藝 296
9.3 紅外焦平面CMOS讀出電路設計基礎 296
9.3.1 讀出電路的基本結(jié)構(gòu) 296
9.3.2 讀出電路的輸入級結(jié)構(gòu) 297
9.3.3 采樣電路 299
9.3.4 輸出級電路 300
9.3.5 移位寄存器 302
9.4 短波紅外InGaAs焦平面讀出電路設計 303
9.4.1 總體設計 303
9.4.2 讀出電路輸入級設計 305
9.4.3 相關雙采樣電路設計 307
9.4.4 讀出電路輸出級設計 308
9.4.5 讀出電路版圖設計 308
9.5 紅外焦平面讀出電路的發(fā)展 309
9.5.1 讀出電路的研究發(fā)展 309
9.5.2 數(shù)字化讀出電路研究進展 311
9.5.3 雪崩焦平面用讀出電路研究進展 312
9.5.4 讀出電路的系統(tǒng)化智能化發(fā)展 313
9.6 小結(jié) 316
參考文獻 316
第10章 InGaAs焦平面的特性參數(shù)及表征技術 319
10.1 引言 319
10.2 焦平面響應光譜 319
10.3 紅外焦平面光電性能 322
10.4 短波紅外InGaAs焦平面的噪聲特性 324
10.4.1 短波紅外InGaAs焦平面探測器的噪聲研究進展 325
10.4.2 短波紅外InGaAs焦平面探測器的噪聲模型 328
10.5 短波紅外InGaAs焦平面的串音與調(diào)制傳遞函數(shù) 334
10.5.1 短波紅外InGaAs焦平面的串音特性 334
10.5.2 短波紅外InGaAs焦平面的MTF特性 340
10.5.3 短波紅外InGaAs焦平面的MTF與串音的關系 346
10.6 小結(jié) 349
參考文獻 349
第11章 短波紅外InGaAs光電探測新技術 352
11.1 引言 352
11.2 可見拓展的InGaAs探測器 352
11.2.1 可見拓展的InGaAs探測器研究意義 352
11.2.2 可見拓展的InGaAs探測器研究進展 354
11.2.3 可見拓展的InGaAs探測器的制備方法 356
11.3 集成偏振近紅外InGaAs焦平面探測器 361
11.3.1 集成偏振近紅外InGaAs焦平面探測器研究意義 361
11.3.2 集成偏振近紅外InGaAs焦平面探測器研究進展 363
11.3.3 亞波長金屬光柵集成偏振的InGaAs探測器機理與制備 367
11.4 集成濾光微結(jié)構(gòu)的InGaAs探測器 372
11.4.1 集成濾光微結(jié)構(gòu)的InGaAs探測器研究意義 372
11.4.2 集成濾光微結(jié)構(gòu)的InGaAs探測器研究進展 373
11.5 近紅外InGaAs雪崩探測器 376
11.5.1 InGaAs雪崩探測器研究意義 376
11.5.2 線性模式InGaAs雪崩探測器研究進展 379
11.5.3 蓋革模式的InGaAs雪崩探測器研究進展 384
11.6 小結(jié) 389
參考文獻 389
漢英對照索引 395
第1章 空間遙感與光電探測 1
1.1 引言 1
1.2 空間遙感及其應用 2
1.2.1 電磁波譜及其波段劃分 2
1.2.2 大氣層及其透射窗口 4
1.2.3 空間遙感技術及其應用 5
1.3 光電探測及其空間應用 12
1.3.1 光電探測基本原理 12
1.3.2 典型光電探測儀器 13
1.3.3 光電探測器 14
1.3.4 紅外探測器的空間應用 16
1.4 空間遙感對光電探測器的需求 19
1.4.1 空間遙感應用的基本要求 19
1.4.2 紅外探測器（焦平面）的主要參數(shù) 20
1.4.3 系統(tǒng)對紅外探測器（焦平面）的要求 21
1.5 銦鎵砷光電探測器及其空間應用 22
1.5.1 銦鎵砷光電探測器 22
1.5.2 銦鎵砷探測器的空間應用 23
1.6 小結(jié) 26
參考文獻 27
第2章 近紅外／短波紅外特點及銦鎵砷器件應用特色 28
2.1 引言 28
2.2 空間應用 28
2.3 光譜傳感應用 39
2.4 其他應用 41
2.5 小結(jié) 45
參考文獻 45
第3章 銦鎵砷的前世今生 48
3.1 引言 48
3.2 InGaAs系材料的緣起鉤沉 49
3.3 InGaAs系材料的基本特性 53
3.4 InGaAs與光纖通信的淵源 65
3.5 InGaAs與其他材料體系的比較 69
3.6 小結(jié) 72
參考文獻 72
第4章 光伏型光電探測器的基本特性及表征 76
4.1 引言 76
4.2 靜態(tài)特性 77
4.2.1 IV特性 78
4.2.2 光響應特性 85
4.2.3 光譜特性 88
4.2.4 抗輻照特性 90
4.3 動態(tài)特性 93
4.3.1 CV特性 93
4.3.2 瞬態(tài)特性 95
4.3.3 黑體響應 103
4.3.4 噪聲特性 107
4.4 優(yōu)值系數(shù)與評估規(guī)則 109
4.4.1 優(yōu)值系數(shù)D 110
4.4.2 優(yōu)值系數(shù)R 0A 111
4.4.3 評估規(guī)則Rule 07 111
4.4.4 評估規(guī)則IGARule 17113
4.5 小結(jié) 117
參考文獻 118
第5章 銦鎵砷光電探測材料外延生長技術 121
5.1 引言 121
5.2 主要外延生長技術 121
5.2.1 液相外延（LPE） 122
5.2.2 氣相外延（VPE） 124
5.2.3 分子束外延（MBE） 130
5.3 氣態(tài)源分子束外延（GSMBE） 132
5.3.1Ⅲ族源 132
5.3.2Ⅴ族源 133
5.3.3 生長設備 136
5.4 InGaAs光電探測器材料的GSMBE生長 136
5.4.1 晶格匹配材料 137
5.4.2 波長擴展材料 141
5.5 小結(jié) 153
參考文獻 153
第6章 材料特性表征方法與技術 159
6.1 引言 159
6.2 結(jié)構(gòu)特性 160
6.2.1 晶體結(jié)構(gòu)、晶格參數(shù)、失配度及組分 160
6.2.2 表面形貌顯微分析 170
6.2.3 微觀狀態(tài)、缺陷及成分分析 175
6.3 光學與光電特性 183
6.3.1 吸收與反射特性 183
6.3.2 發(fā)光特性 189
6.3.3 材料均勻性表征及其與FPA性能的關聯(lián) 194
6.4 電學與輸運特性 197
6.4.1 載流子濃度、遷移率 197
6.4.2 載流子壽命、擴散系數(shù)和擴散長度 204
6.4.3 缺陷能級與密度 206
6.5 小結(jié) 208
參考文獻 208
第7章 InGaAs光電探測器及焦平面工藝技術 211
7.1 引言 211
7.2 器件結(jié)構(gòu)設計與模擬 212
7.3 器件制造標準工藝 215
7.4 成結(jié)工藝 218
7.4.1 刻蝕成結(jié)技術 218
7.4.2 擴散成結(jié)技術 220
7.5 表面鈍化 223
7.6 歐姆接觸 227
7.7 光敏芯片陣列與讀出電路的混成工藝 229
7.8 小結(jié) 234
參考文獻 234
第8章 光電探測器及焦平面的封裝與可靠性技術 237
8.1 引言 237
8.2 光電探測器組件及其封裝技術 239
8.2.1 組件封裝定義、功能與類型 239
8.2.2 典型微電子封裝技術 240
8.2.3 探測器制冷與低溫封裝技術 244
8.2.4 銦鎵砷探測器的封裝技術 247
8.3 組件封裝設計技術 249
8.3.1 組件封裝總體設計技術 249
8.3.2 封裝結(jié)構(gòu)與模擬 252
8.3.3 光學參數(shù)與雜散光抑制 254
8.3.4 電子學功能與噪聲控制 255
8.3.5 溫度與熱力學設計 256
8.3.6 光電性能與封裝關聯(lián)性 256
8.3.7 組件可靠性與長壽命設計 257
8.4 封裝技術關鍵材料與元件研究 260
8.4.1 封裝結(jié)構(gòu)材料 260
8.4.2 封裝密封與焊接材料 263
8.4.3 電極及引線材料 265
8.4.4 組件關鍵元件 266
8.5 封裝技術關鍵工藝研究 268
8.5.1 模塊化拼接與平面度控制 268
8.5.2 密封焊接工藝 274
8.5.3 電極引線技術 277
8.5.4 其他封裝工藝技術 279
8.6 組件封裝的測試與可靠性試驗 279
8.6.1 組件漏熱測試 279
8.6.2 組件漏率測試 282
8.6.3 組件可靠性試驗 283
8.6.4 組件壽命試驗 287
8.7 小結(jié) 292
參考文獻 292
第9章 短波紅外InGaAs焦平面讀出電路 294
9.1 引言 294
9.2 紅外焦平面讀出電路 294
9.2.1 CMOS與CCD兩種讀出方式的比較 295
9.2.2 CMOS讀出電路設計與工藝 296
9.3 紅外焦平面CMOS讀出電路設計基礎 296
9.3.1 讀出電路的基本結(jié)構(gòu) 296
9.3.2 讀出電路的輸入級結(jié)構(gòu) 297
9.3.3 采樣電路 299
9.3.4 輸出級電路 300
9.3.5 移位寄存器 302
9.4 短波紅外InGaAs焦平面讀出電路設計 303
9.4.1 總體設計 303
9.4.2 讀出電路輸入級設計 305
9.4.3 相關雙采樣電路設計 307
9.4.4 讀出電路輸出級設計 308
9.4.5 讀出電路版圖設計 308
9.5 紅外焦平面讀出電路的發(fā)展 309
9.5.1 讀出電路的研究發(fā)展 309
9.5.2 數(shù)字化讀出電路研究進展 311
9.5.3 雪崩焦平面用讀出電路研究進展 312
9.5.4 讀出電路的系統(tǒng)化智能化發(fā)展 313
9.6 小結(jié) 316
參考文獻 316
第10章 InGaAs焦平面的特性參數(shù)及表征技術 319
10.1 引言 319
10.2 焦平面響應光譜 319
10.3 紅外焦平面光電性能 322
10.4 短波紅外InGaAs焦平面的噪聲特性 324
10.4.1 短波紅外InGaAs焦平面探測器的噪聲研究進展 325
10.4.2 短波紅外InGaAs焦平面探測器的噪聲模型 328
10.5 短波紅外InGaAs焦平面的串音與調(diào)制傳遞函數(shù) 334
10.5.1 短波紅外InGaAs焦平面的串音特性 334
10.5.2 短波紅外InGaAs焦平面的MTF特性 340
10.5.3 短波紅外InGaAs焦平面的MTF與串音的關系 346
10.6 小結(jié) 349
參考文獻 349
第11章 短波紅外InGaAs光電探測新技術 352
11.1 引言 352
11.2 可見拓展的InGaAs探測器 352
11.2.1 可見拓展的InGaAs探測器研究意義 352
11.2.2 可見拓展的InGaAs探測器研究進展 354
11.2.3 可見拓展的InGaAs探測器的制備方法 356
11.3 集成偏振近紅外InGaAs焦平面探測器 361
11.3.1 集成偏振近紅外InGaAs焦平面探測器研究意義 361
11.3.2 集成偏振近紅外InGaAs焦平面探測器研究進展 363
11.3.3 亞波長金屬光柵集成偏振的InGaAs探測器機理與制備 367
11.4 集成濾光微結(jié)構(gòu)的InGaAs探測器 372
11.4.1 集成濾光微結(jié)構(gòu)的InGaAs探測器研究意義 372
11.4.2 集成濾光微結(jié)構(gòu)的InGaAs探測器研究進展 373
11.5 近紅外InGaAs雪崩探測器 376
11.5.1 InGaAs雪崩探測器研究意義 376
11.5.2 線性模式InGaAs雪崩探測器研究進展 379
11.5.3 蓋革模式的InGaAs雪崩探測器研究進展 384
11.6 小結(jié) 389
參考文獻 389
漢英對照索引 395
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銦鎵砷光電探測器及其焦平面陣列 節(jié)選
第1章 空間遙感與廣電探測 1.1 引言 空間遙感（space remote sensing）亦稱航天遙感，顧名思義就是利用探測儀器從太空在遠距離和非接觸的情況下感知目標，獲取其反射、輻射或散射的電磁波信息，并進行提取、處理、分析與應用。正是由于此類儀器具有探測功能，因此也被稱為有效載荷，一般搭載在衛(wèi)星、飛船、空間站等航天器（亦稱飛行器）上，并隨之發(fā)射升空。 空間遙感技術是20世紀60年代初在航空遙感技術基礎上發(fā)展起來的一門新興技術，1972年7月23日美國發(fā)射**顆陸地衛(wèi)星（Landsat），標志著航天遙感時代的開始，經(jīng)過半個多世紀的飛速發(fā)展，已成為一門實用的、先進的空間探測技術[1]，在氣象、海洋、國土、環(huán)境等民用領域，天文觀測、探月及深空探測等科學領域，以及偵察、預警等軍事領域都有十分廣泛的應用[2]。其主要分類及典型應用將在本章1.2節(jié)詳細敘述。 目前比較成熟地用于空間遙感的探測儀器主要有微波探測和光學探測兩大類型。微波探測是一種主動探測，需要微波源（如行波管）產(chǎn)生微波信號，照射到目標上，通過測量從目標上反射的回波進行探測。用于探測微波的檢測部件是接收天線，*基本原理是將收集的電磁波轉(zhuǎn)化為高頻電流，便于后端的電子學系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理等，接收天線好比人的耳朵。光學探測一般是被動探測，將目標的輻射或反射等信息，通過相應波段的探測器進行接收，將光學信號轉(zhuǎn)換為電信號，并由后端的電子學系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理等，因此通常稱為光電探測。光電探測器好比人的眼睛。 光電探測器是遙感儀器的重要組成部分，也是儀器研制的關鍵核心技術之一。正是由于遙感儀器的廣泛應用，尤其是空間遙感應用的重要需求，光電探測技術得以迅速發(fā)展，同時隨著科技的進步、各種新型光電材料及其新機理的發(fā)現(xiàn)，以及先進材料與器件制備工藝的不斷涌現(xiàn)，光電探測器的功能和性能都有顯著提升。針對空間遙感應用的要求，由于受到大氣透射窗口的影響，遙感儀器內(nèi)部用于透射、折射或反射的光學材料及光學薄膜材料的性質(zhì)所限，結(jié)合光電探測器自身的特點，一般是按探測波段對光電探測器進行選擇。目前應用較為普遍的光電探測器按照工作波段從短波長到長波長來分類的話，主要包括射線探測器、紫外探測器、可見光探測器、（近、短波、中波、長波、甚長波、遠）紅外探測器等。如果按照光電探測器的工作原理來分類的話，包括熱探測器、光子型探測器和氣體探測器[3]。如果按照光電探測器響應像元的元數(shù)及規(guī)格來分類，又包括單元探測器、多元探測器和焦平面（線列和面陣）探測器等，面陣探測器也稱為成像型探測器。本章1.3節(jié)將詳細介紹光電探測的原理、器件種類及其典型空間應用。 從儀器設計的角度，如何選擇光電探測器，是一個重要且復雜的問題，需要綜合考慮應用需求、光機電各部分的性能、探測器的現(xiàn)有能力與水平、資源約束（體積、重量、功耗）、壽命和可靠性以及成本等。但從技術角度，波段的考慮和儀器的功能是選擇光電探測器*關鍵的要素。本章1.4節(jié)將簡要歸納空間遙感對光電探測器的選擇需要考慮的主要因素。 短波紅外波段是指1～3μm 的紅外波段，與0.7～2.5μm 的近紅外波段有重疊，是大氣透射的重要窗口之一，在該波段中很多物質(zhì)具有獨*的光譜特性。由于采用與磷化銦（InP）襯底晶格匹配外延生長的銦鎵砷（InGaAs）材料制備的光電探測器，在1～2.5μm 波段具有量子效率高、靈敏度高、近室溫工作、抗輻射性能好等優(yōu)點[45]，是為實現(xiàn)遙感儀器小型化、低功耗要求而極具競爭力的選擇，因而在空間遙感領域備受關注。本章1.5節(jié)將重點介紹銦鎵砷光電探測器及其空間應用。 由于空間遙感和光電探測涉及的面非常廣，但其原理基本相同，因此除了一般性介紹時會盡量覆蓋到全部波段或所有類型外，本章中以紅外探測及空間遙感領域應用為典型進行闡述。 1.2 空間遙感及其應用 1.2.1 電磁波譜及其波段劃分 電磁波的波譜范圍非常廣，波長*短的約百分之一埃（10－12 m），*長的可達數(shù)千米（103 m），或者頻率*快的達萬億億赫茲（1020 Hz），*慢的約100 kHz（105 Hz），跨度在15個數(shù)量級以上，因此其特性差異很大，研究的手段和應用場景也十分豐富。一般地，電磁波譜劃分為γ射線、X 射線、紫外線（UV）、可見光（VIS）、紅外線、微波和無線電波七個大類[6]，如圖1.2.1所示。 表1.2.1給出了各頻段電磁波產(chǎn)生的主要機理、關鍵特征、探測手段及其典型應用[3]。 為便于表述，不同領域?qū)Ω鞔箢愖V段劃分的邊界不是很嚴格，基本上都會有重疊，如紫外線的長波段在400 nm，進入了可見光的短波段380 nm。表中筆者試圖按照每個波段專業(yè)研究人士各自的表述來劃分，如無線電波是按照日常生活中認識來劃分的，微波的波段是以微波研究或應用領域來定義的。可見光的波長范圍是380～780 nm，是按照人眼可以感知的電磁波譜部分來定義的，而實際上沒有精確的范圍，大都人的眼睛可以感知的電磁波的波長在400～760 nm 之間，隨著微電子技術的發(fā)展，用于探測可見光的Si 探測器[電荷耦合器件（CCD）或互補金屬氧化物半導體（CMOS）]的截止波長在1.1μm，為了適應人眼感知的視覺效果或者儀器設計的需要，一般通過濾光技術使得Si 探測器的光譜響應范圍落在400～900 nm，這個范圍也稱為可見光波段。 圖1.2.1 電磁波譜示意圖，包括空間遙感領域和光譜學領域的兩種常見波段劃分和單位換算對應關系，下部為對數(shù)坐標下的水汽吸收光譜（彩圖見書末） 表1.2.1 電磁波譜的分類、主要特征及其應用 隨著科技的發(fā)展和應用的需要，科學家通過研究會發(fā)現(xiàn)新的波段并加以冠名。如在20世紀80年代中期之前，在紅外波段波長大于30μm（進入遠紅外波段）的研究受到光學領域的光源和探測器方面的科學與技術的局限，而在微波波段頻率高于3000 GHz（稱為亞毫米波、超微波等）的研究也受到電子學領域的振蕩電路和檢測器方面的科學與技術的限制，人們對這個波段的研究難以突破，認識非常有限，但隨后逐漸顯現(xiàn)出該段電磁波具有許多新的獨*的優(yōu)點，是一個非常重要的交叉前沿領域，給科學技術創(chuàng)新、經(jīng)濟社會發(fā)展和國家安全提供了一個非常誘人的機遇。因此人們將頻率為0.1到10 THz（或波長在30～3000μm）的位于紅外和微波之間的電磁波段稱為太赫茲（tera hertz，THz）波段。 另外，即使在同一個波段，由于實際研究和應用的需要，也會進行波段的細分。如在紅外線波段，一般被分為近紅外（NIR）0.7～2.5μm、短波紅外（SWIR）1～3μm、中波紅外（MWIR）3～5μm、長波紅外（LWIR）8～14μm、遠紅外（FIR）25～1000μm 等不同區(qū)域。隨著航天應用的發(fā)展，紅外波段的研究十分活躍，綜合考慮大氣窗口的影響、技術的發(fā)展和應用的需要，迄今為止，紅外波段通常又進一步細分為近紅外短波端的0.75～1.7μm、短波紅外（SWIR）波段1～3μm、中波紅外（MWIR）波段3～5μm、水汽紅外（VIR）波段5～8μm、長波紅外（LWIR）波段8～14μm、甚長波紅外（VLWIR）波段14～20μm 和遠紅外（FIR）波段25～1000μm 等，而波長大于30μm 的遠紅外波段已進入后來被命名的太赫茲波段。以上不同波段的電磁波在空間遙感中都有相應的廣泛應用。 1.2.2 大氣層及其透射窗口 空間遙感中*重要的應用是對地遙感，即通過空間與地面之間電磁波信號的傳輸和探測來實現(xiàn)對地物目標的感知。由于地球外圍被一層很厚的大氣層包圍，電磁波信號要在大氣中傳播相當遠的距離才能到達探測系統(tǒng)，因此需要考慮大氣層對電磁波信號的影響。 大氣層的厚度約1000 km，從地球表面向外可分為對流層（約20 km 處）、平流層（約50 km 處）、中間層（約85 km 處）、熱層（約500 km 處）和外大氣層（約1000 km 處），之外即進入星際空間。大氣層隨高度不同表現(xiàn)出不同的特點，空氣密度隨高度而減小，越高空氣就越稀薄。大氣層的成分主要有：氮氣占78.1％；氧氣占20.9％；氬氣占0.93％；還有少量的二氧化碳、稀有氣體（氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣、氡氣）和水蒸氣等，這些都會對電磁波的傳輸產(chǎn)生反射、吸收和散射，其中吸收是影響傳播的主要因素，而那些透射率高的波段稱為大氣窗口。遙感應用一般選擇在大氣窗口波段。 大氣窗口主要包括可見光、紅外、微波和無線電等不同的波段，如圖1.2.1所示。遙感領域所采用的波段基本上也是依據(jù)大氣窗口來劃分或進一步細分的，圖1.2.2給出了太陽光在海平面大氣中通過1海里（約1852 m）水平路徑的紅外波段透過光譜的合成曲線，圖中下面部分表示水蒸氣、二氧化碳和臭氧分子所形成的吸收帶[7]。常見的紅外波段大氣窗口有：0.95～1.05μm、1.15～1.35μm、1.5～1.8μm、2.1～2.4μm、3.3～4.2μm、4.5～5.1μm 和8～13μm。一般也粗略地劃分為短波紅外（1～3μm）、中波紅外（3～5μm）和長波紅外（8～14μm）三個大氣窗口波段。一般空間遙感應用的紅外儀器或紅外系統(tǒng)的工作波段大都在這三個窗口之內(nèi)，但也有利用吸收帶進行探測的情況。 圖1.2.2 海平面大氣的透射光譜和對應的主要分子吸收位置 1.2.3 空間遙感技術及其應用 空間遙感技術一般是按照應用領域來進行分類的，在民用領域包括氣象衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星、資源衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星等，在科學研究領域包括天文觀測衛(wèi)星和月球、太陽、火星、小行星等深空探測衛(wèi)星，在軍事領域包括偵察衛(wèi)星、導彈預警衛(wèi)星等。由于受到衛(wèi)星及有效載荷的壽命限制，以及隨著科學技術的不斷發(fā)展和應用需求的不斷提升，各國大都是按照各自的系列批次和代際的規(guī)律不斷發(fā)展的。 盡管以美國1972年7月23日發(fā)射的**顆陸地衛(wèi)星為航天遙感時代開始的標志，實際上早在1957年10月4日蘇聯(lián)發(fā)射的世界上**顆人造地球衛(wèi)星上就搭載了一臺輻射計數(shù)器[8]。1958年1月31日發(fā)射的美國**顆人造地球衛(wèi)星也攜帶了氣象儀器，早在1960年4月1日美國就首先發(fā)射了**顆試驗型氣象衛(wèi)星。1970年4月24日發(fā)射的中國**顆人造地球衛(wèi)星搭載了熱敏探測器，為我國后續(xù)空間遙感技術尤其是氣象衛(wèi)星的發(fā)展打下了良好的基礎。因此氣象衛(wèi)星的發(fā)展在空間遙感技術領域發(fā)揮了重要的作用。 氣象衛(wèi)星的應用已經(jīng)遠遠超出傳統(tǒng)的天氣預報，在生態(tài)環(huán)境、災害監(jiān)測以及海洋、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、航空、航海等方面都有廣泛的用途，是世界上應用*廣的衛(wèi)星系列之一，美國、蘇聯(lián)／俄羅斯、法國和中國等眾多國家都發(fā)射了氣象衛(wèi)星。氣象衛(wèi)星包括極軌氣象衛(wèi)星（Polar OrbitMeteorological Satellite）和靜止軌道氣象衛(wèi)星（Geostationary Meteorological Satellite）兩大系列，極軌氣象衛(wèi)星的軌道與太陽同步，軌道高度在650～1500 km，亦稱太陽同步軌道氣象衛(wèi)星，可以獲取全球觀測數(shù)據(jù)。靜止軌道氣象衛(wèi)星是在赤道上空與地球同步，軌道高度約3.6萬km，相對地球是靜止的，亦稱地球同步軌道氣象衛(wèi)星，可以觀測地球表面約三分之一的固定區(qū)域，對同一目標地區(qū)進行持續(xù)觀測。 表1.2.2和表1.2.3分別列出了主要國家極軌氣象衛(wèi)星和靜止軌道氣象衛(wèi)星的研制和應用概況[8]。 表1.2.2 主要國家極軌氣象衛(wèi)星發(fā)展概況 表1.2.3 主要國家靜止軌道氣象衛(wèi)星發(fā)展概況
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