“光电探测器”专题导读

光电探测器是现代光电技术的核心,具有高灵敏度、高分辨率、宽波长响应范围等优点,广泛应用于光通讯、光计算、医疗、安防、航空航天、环境监测等领域。光电探测技术的集成化和智能化已成为当前的发展趋势,通过与先进的信号处理算法和人工智能技术相结合,光电探测系统能够实现更高的自动化和智能化水平。随着微电子技术的进步,光电探测器和成像系统的微型化、便携化也成为可能。现阶段国内光电探测器蓬勃发展,基于新型材料和结构的红外探测器、可见光探测器、紫外探测器等都取得了丰硕了成果。为了促进国内光电探测领域的学术研究和发展,加强相关研究学者之间的学术交流与合作,《光子学报》特别推出“光电探测器”专题,集中展示和探讨我国光电探测领域的研究成果和研究进展。本专题文章侧重红外探测器和紫外探测器中应用的多种新材料、新结构及器件新性能.

一种基于光学的水表面微波跨介质探测方法

水下声信号的传播和探测研究主要集中在散射、反射和传播损失等方面,而对其在水面引起的波动关注较少。本文在理论上推导了在水下平面波入射在水-空气界面激励的水表面微波与声源强度和频率的关系。这种水表面微波的振幅在纳米级别,振动频率和水下平面波的频率相同,在水-空气界面的扩散距离则随频率的升高而强烈衰减。基于水表面微波的特性,结合激光探测的工作原理,设计了一套跨介质水下目标检测系统。并为该系统可能受到的低频海浪噪声干扰和反射干扰提供了应对方式。仿真结果表明:该系统分辨率高,具有隐蔽性、易于维护性、无接触性等特点,对低频声源的检测效果较好。该方法结合了声波在水中和光波在空气中传播各自的优点,有望成为水下目标检测的一种新手段。

海面船舶探测谱段优选与效能分析

船舶等海面目标的探测对于海面管理、国防安全、搜索救援等领域有着重要意义。星载红外遥感覆盖范围广,是实现船舶目标广域探测的有效手段。受太阳天顶角昼夜循环的影响,船舶与海面的温差周期性变化,导致海面船舶探测场景存在一天两次的热交叉时期,此时使用单一探测谱段难以满足船舶目标全天时探测需求。文章以中纬度夏季和冬季海面环境为例,建立海面船舶探测场景的24小时红外辐射特征,提出多谱段优选组合方案,通过3.50~4.10μm和10.25~10.75μm双探测谱段探测实现信噪比优于16.52(夏季)和17.64(冬季)的昼夜连续观测。所提出的双谱段探测方法为实现广域全天时海面目标探测应用提供了技术支撑。

2023年国外深空探测领域发展综述

2023年,国外共发射7次深空探测任务,包括3次月球探测、1次木星系探测、1次科学观测、1次太阳探测和1次小行星探测任务。美国发射“赛琪”(Psyche)小行星探测器;欧洲发射“欧几里得”(Euclid)空间望远镜和“木星冰卫星探索者”(JUICE);俄罗斯发射近半个世纪以来的首次月球探测任务--月船-25(Luna-25),但着陆失败;印度成功发射月船-3(Chandrayaan-3)和阿迪蒂亚-L1(Aditya-L1)太阳探测器;日本成功发射“小型月球探测着陆器”(SLIM)。

核辐射探测技术及器件的研究进展

核科学技术的发展及原子能的和平利用是人类历史的重要一环。随着现代社会对核能用途的日益开发,加强核安全监管、提升核安全水平、推进全球核安全治理是保障核能长远发展和应用的基石。因此,核辐射探测技术在环境放射性检测、核电站安全监测、核事故应急监测、国土边境放射性监测、核与辐射恐怖袭击事件防范等领域发挥着越来越重要的作用。与此同时,核辐射探测技术得到了蓬勃的发展,在新材料的开发上也取得了诸多进展。核辐射探测器或核辐射探测材料是核辐射探测技术的重要载体。核辐射探测器的工作原理基于辐射粒子与探测介质之间的相互作用。该文从核辐射探测技术出发,基于核辐射探测材料的发展,介绍了国内外核辐射探测器的研究进展及应用现状,并展望了新型核辐射探测器的发展前景与面临的挑战。

深空探测任务进展与展望

本文全面综述了国际深空探测任务设计的最新进展,涵盖月球探测、大行星探测及小天体探测领域。月球探测方面,介绍了美国Artemis计划、中国探月工程等地月空间战略布局;大行星探测方面,回顾了水星、金星、火星及木星、土星等外行星的探测历史与现状;小天体探测方面,探讨了其技术难点及科学意义,详述了小行星飞越、环绕、采样和撞击等任务。在此基础上,总结了深空探测任务的启示与发展趋势;结合我国深空探测能力与国际行星科学发展,提出相关任务建议与设想,为我国未来深空探测任务设计提供参考。

HSP超前探测技术在煤矿TBM掘进巷道中的应用研究

随着全断面掘进机TBM(Tunnel Boring Machine)逐渐应用于煤矿岩巷掘进,对不良地质构造进行超前准确快速预测的需求日益迫切。通过对主动源地震波超前探测方法的特点和TBM破岩震源超前探测技术的适用性进行分析,结合煤矿巷道地质和生产条件,提出了适用于煤矿巷道TBM掘进的HSP超前探测方法。以河南平顶山首山一矿TBM掘进底板瓦斯治理巷道为工程背景,选用防爆硬件一体化设计的探测仪器在煤矿巷道中进行应用。构建了空间型观测方式对煤矿巷道近水平煤线进行探测,优化了双护盾TBM掘进巷道狭小空间检波器阵列式布置参数;基于时频分析、互相关干涉处理、反射与散射联合反演等方法处理原始信号并进行探测结果成像。研究表明:采用空间型观测方式可实现与巷道小角度斜交煤线的识别,设计震源与首检波器间距离为15 m时最优。通过时频分析提取有效信号,利用互相关干涉法获取虚拟震源道和反射特征曲线,并结合反射与散射联合反演成像得到探测区域地层反射能量分布图,能够较准确地推测得到围岩存在的不良地质构造。通过比较现场开挖揭露情况与探测结果发现两者吻合度较高,表明HSP超前探测方法可实现掘进工作面前方100 m范围内超前无损地质预测,有助于提高煤矿岩巷TBM掘进速度。

风云三号E星空间环境载荷综合探测技术

针对中国风云三号卫星运行的低地球太阳同步轨道,开展空间环境及粒子辐射效应监测,提出基于空间环境监测器Ⅱ型载荷的综合探测技术。在各载荷技术指标的地面研制过程中,通过标准放射源、等效信号源、粒子加速器和标准磁场等不同方式进行标定和实验验证。结果表明,多方向全能谱粒子探测的能量范围为30 keV~300 MeV,精度优于10%;磁场强度测量范围为-65023~+65023 nT,精度优于0.73 nT;电位探测范围为-32.4~+23.7 kV,灵敏度优于10 V;辐射剂量探测范围为0~3×10^(4) rad(Si),灵敏度优于8.3 rad(Si)。通过空间环境监测器Ⅱ型载荷对卫星运行轨道上的粒子辐射环境、原位磁场矢量变化、辐射剂量累积以及卫星表面电位变化等进行观测,可以为航天活动、卫星设计、空间科学研究及空间天气预警预报业务提供必要的数据支撑。

城市地下管线探测方法研究

随着国民经济的高速发展,城市的地下管线的安全运行变得越来越重要。文章结合城市地下管线探测现状,分析了存在的探测精度不足、管线属性错误和管线漏测问题,找出管线探测技术体系短板。随后,提出多项新型探测技术,着重阐明全新技术手段的应用要点与注意事项。旨在加快城市地下管线探测技术转型升级步伐,稳步提升管线探测精度与效率,为市政工程建设、运维管理提供信息支持。

不同环境因素对甲烷探测器报警动作值的影响

为研究不同类型的甲烷探测器在实际应用场景的表现,根据甲烷探测器类型特点选取市面上常见的半导体式、催化燃烧式、红外吸收式、激光式探测器,根据GB15322-2019开展标准化实验,得出在不同环境下探测器报警动作值的变化及其使用中的注意事项。激光式探测器长期稳定性和抗高浓度冲击能力优于其他类型探测器;红外吸收式探测器在实际使用中,应注意水蒸气的干扰;催化燃烧式探测器应注意高空跌落和高浓度冲击对传感器的影响;半导体式探测器易受高浓度冲击的影响,应注意定期检定校准。

自给能中子探测器发射体材料研究现状

本研究介绍了自给能中子探测器发射体的结构、类型及原理,并根据反应原理将发射体材料进行了分类,并且分别介绍了每一类材料的作用机制和特点。重点分析了铑、银、钒、钴、铪、铂、钼、铍等几种材料的物理特性、反应过程以及现有的灵敏度研究数据,并结合文献数据,对几种新的发射体材料应用前景进行了分析。结果表明,除上述工艺成熟的材料外,钽有希望成为灵敏度高、响应快速的新发射体材料,铍可以作为测量快中子的有效材料。

载人月球探测科学研究发展概述与趋势分析

月球是具有重要科学价值与战略价值的自然天体,开展载人月球探测,实现中国人首次登陆地外天体,将成为航天强国建设的重要标志。在载人月球探测过程中,可利用月球特殊条件及资源,开展有人参与的科学研究活动,获取月球科学、月基科学和月球资源利用等方面的研究成果。首先回顾了阿波罗计划、阿尔忒弥斯计划、嫦娥工程等月球探测任务,针对其中的科学研究任务实施情况及关键成果进行了总结,并分析了后续载人月球科学任务发展趋势。在此基础上,对人类在开展未来载人月球探测任务过程中重点部署的方向提出了建议,涉及月球样品采集、月球科学探测,以及月球原位资源利用等方面。对载人月球探测科学研究发展趋势的分析及建议,可为未来载人登月相关论证设计提供参考。

远探测声波测井处理解释方法发展与展望

远探测声波测井技术(亦称反射声波测井技术)能够从井中探测及评价井外数十米范围内的裂缝、洞穴和断层等地质异常反射体,大大拓展了测井技术的应用范围。在回顾该技术发展历程的同时,重点介绍了远探测声波测井处理解释核心方法、软件和现场应用效果。结合目前油田实际生产需求和现有技术面临的挑战,指出远探测声波测井处理解释方法有5个最重要的发展方向:继目前利用声波时差和密度通过反射系数褶积进行“测井约束下的地震反演”后,突破实现井下实测反射波和地面地震反射波正反演关系的直接建立,同时开展页岩储层裂缝成像、压裂效果评价、随钻地质导向研究及远探测声波测井仪器革新。

航天返回舱雷达探测技术研究

雷达在探测航天返回舱黑障区时,因受到等离子体鞘套干扰,长期存在跟踪不稳定甚至丢失等问题。本文从等离子体鞘套与电磁波相互作用机理出发,提出了航天返回舱黑障区电磁特性仿真方法和再入场景回波仿真方法;结合仿真与实测数据研究获取黑障区目标回波特征,提出了基于鞘套快时变特性的目标检测方法;设计了返回舱黑障区认知探测流程,将其应用于多频段雷达装备成功完成了多次返回舱探测任务,保障了黑障区稳定跟踪,基本解决了航天返回舱黑障区雷达探测问题。

基于透镜阵列多元聚焦的连续晶体三维位置灵敏探测器设计和仿真

连续晶体闪烁体探测器可以实现γ射线作用点的三维位置定位。本文提出一种新的探测器结构,引入透镜阵列实现作用点定位。探测器采集多元聚焦图像,从而改变对连续晶体闪烁光分布探测的需求。文中建立连续晶体、透镜阵列和光子计数器阵列的模型进行模拟研究,建立多元聚焦的光路反演重建算法定位γ射线作用点的三维位置。通过重建结果分析评估基于透镜阵列的连续晶体探测器性能,这种结构具有较好的定位能力和位置分辨。对于尺寸为48 mm×48 mm×45 mm的硅酸钇镥(LYSO)闪烁晶体,实现了xy平面位置分辨优于1.54 mm,z方向位置分辨优于3.13 mm。基于连续晶体和透镜阵列结构的探测器还可对多作用点的情形进行重建,分析三组选定位置的重建结果,该结构对双作用点定位具有可行性。

月球探测器鲁棒环形山检测及光学导航方法

针对月球探测器环形山检测方法受光照影响、鲁棒性差的问题,本文提出一种基于极大熵阈值三值化的鲁棒环形山检测算法。采用不同滤波核对图像进行去噪平滑,然后对处理后的图像进行极大熵阈值分割、将图像信息三值化,去除图像对光源的敏感性,同时最大程度保留图像信息;提出一种归一化多指标约束环形山匹配和拟合方法完成环形山提取,将环形山提取算法应用于光学导航中进行打靶实验验证算法实时性表现。仿真结果表明:与传统基于形态学或自适应边缘检测的方法相比,本文方法在较大尺度条件下提取出连续、光滑的环形山边缘,有效环形山数量提升35%以上,同时实时性更好、计算消耗降低40%;基于鲁棒环形山提取的光学导航算法实时性更好。

低轨星座红外探测器对临近空间高超声速目标的可探测性分析

以STSS LEO红外探测平台为例,分析其对AGM-183A类空射式高超声速目标的可探测性。为了直观比较不同条件下目标的光电探测特性,将其量化为焦平面上输出信噪比超过阈值的像元数量。首先计算目标气动温度及光谱辐射强度,再利用探测器模型,计算在不同探测方向、距离和角度下,焦平面的信噪比峰值以及超过信噪比阈值的像元数量。分析结果表明,星下点模式下信噪比峰值最高(335),且超过信噪比阈值(6)的像元数最多(54×54),此像元数代表LEO星座对AGM-183A目标的最大可探测性。在临边探测模式下,给出目标可探测性随探测角度和目标温度的变化规律。结果表明,当目标温度接近800 K且探测方位角ψ小于10°(或大于170°)时,焦平面上超过信噪比阈值的像元数量为4×4,说明此时目标可探测性已经接近探测器的理论极限(3×3)。对比来看,温度的改变对目标可探测性的影响更为显著。在临边探测模式下,目标在飞行中段采用主动冷却手段降低表面气动温度以逃脱LEO探测的概率更高。从提高预警能力角度,要提高探测器在最不利角度对温度接近800 K目标的信噪比阈值(方位角ψ小于10°或大于170°时焦平面像元数量不低于8×8)。

基于低温积分球的中红外陷阱探测器技术

针对中波红外辐射测量定标的需求,提出了将微型积分球与中红外探测器集成在低温环境中。验证比对了几种用于制作积分球内腔表面的材料样品,通过宽光谱反射率、特征光谱反射率、双向反射分布函数(bidirectional reflectance distribution function,BRDF),以及用激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)等进行微观表面形貌的测量,获得了适用于制作中红外积分球的内腔表面制作工艺。BRDF测试结果显示,制作的内腔表面接近朗伯反射表面。测试了积分球探测器样品的光谱与电学性能,经过表面粗糙化处理并蒸镀金属反射膜,样品的光谱波段适应性好,光强衰减比为0.0674,经计算,积分球内腔壁的反射率为96.4%;同时,低温积分球的引入,使探测器芯片的噪声由3.5×10^(-12)A·Hz^(-1/2)降低至1.0×10^(-12)A·Hz^(-1/2)。

集成芯片硅微条探测器电子读出系统设计

设计了基于VATA460.3专用集成芯片(ASIC)的多通道、低功耗带触发硅微条探测器读出系统,该系统实现了共32路粒子入射信息读出。测试结果表明:该系统各通道基线稳定,等效噪声水平均低于0.17 fC,动态范围可达90 fC。

宽波段响应硅雪崩光电探测器研究

本文基于目前对宽波段探测器的应用需求,设计了一种在250~1100 nm范围有较高响应的硅雪崩光电探测器(Si APD),不需要拼接即可实现紫外-可见-近红外波段光的高效探测。分别对硅的紫外增强和(近)红外增强进行了分析,在此基础上,为获得宽波段响应Si APD,对器件结构进行模拟设计,采用光背入射等方式,提高短波吸收,同时保证近红外吸收。模拟优化的Si APD器件峰值波长940 nm左右,在250 nm和1100 nm处响应光电流均超过峰值的15%,这种结构的器件适用于多光谱及未来高精度探测等应用领域。