[发明专利]InGaAs材料MSM结构光电混频探测器

说明书

技术领域

本发明涉及非扫描激光四维成像雷达领域。

背景技术

激光成像技术是自激光诞生以来20世纪70年代发展起来的一个可对目标成四维像的成像技术。所谓四维像，是指激光成像雷达获取信息丰富，不仅能获取目标二维平面强度像，还能获取目标与雷达系统之间的二维平面距离像(也称为三维距离像)。激光雷达由于可记录激光发射与接收的时间，二者的时间差就是激光往返目标与雷达之间所需时间，按照光速公式，很容易换算成距离；也就是说，激光成像雷达能对目标上不同点处的距离以可分辨的测定，可获取目标的三维距离像。强度像，就是光照到目标上的反射回波信号强度与目标的材质、姿态等固有属性有关，回波信号强度称之为强度像，用灰度等级可以反映出目标不同材质及不同姿态。因此，激光成像雷达可以成目标的四维像(一维强度+三维距离)。

直到20世纪90年代末，激光成像雷达一直是采用扫描体制。随着科技不断发展，也随着人们的需求不断提高，扫描体制最大的问题是对目标成一幅像，用时长即帧频数低，这在空中运动平台上，其不足就尤为突出，所以，人们在20世纪90年代末，提出了非扫描体制。1996年美国陆军实验室提出了调频连续波(FM/CW)非扫描激光成像雷达体制，是典型的非扫描体制激光成像雷达系统。该方案将出射激光扩束成面光，可以照亮目标处的一片空域，被照射到的目标各处都将有反射光返回，在接收端有焦平面面阵探测器，用面阵上各像元逐点同时接收回波，经高速信息处理便可得到辐照空域上的目标四维像特征。这种体制显然较扫描体制的成像速率大大提高。

成就这种非扫描体制的关键技术是研制出可面阵接收的大面阵高灵敏度的探测器，如同焦平面面阵成像的红外探测器一样。非扫描激光成像雷达的面阵探测器，较红外探测器不同之处主要就在于每个像元都是一个给出距离和光强的高灵敏探测器，具备ns甚者是ps量级的快响应能力。陆军实验室用GaAs材料MSM结构(金属—非金属—金属结构)光电混频器件，组成非扫描FM/CW激光成像雷达系统，采用电外差技术，实验给出了远距离的目标四维像。

MSM结构在探测器领域，是一种特指器件，是金属—非金属—金属结构(Metal-Semiconductor-Metal,MSM)，这是一种表面光敏的探测器。材料表面刻蚀成叉指状电极，见图7，电极(金属)—半导体材料(非金属)—电极(金属)，两个电极间加上电压，光照后在半导体材料处产生光电子，在两电极间运动形成光电流，通常MSM结构是背靠背的两个极向相反的二极管，产生的光电流叠加输出。

美国陆军实验室采用由GaAs材料做成的MSM结构面阵探测器，用连续波输出的半导体激光器(813nm)，由扫频源控制的调制器，输出200MHz-800MHz频宽的啁啾调制信号进行输出，啁啾调制(FM/CW)激光做为出射激光，照射目标，而同时扫频源输出的另一支同频的啁啾调制电压信号，加到探测器上，在探测器各像元上加上了一个啁啾调制的电流信号做为本振电信号。当照射到目标上的光反射返回到探测器上，在探测表面产生光电流(这光电流亦是有一定延时的、同频的、啁啾调制频率的)，这一光电流称为主振电信号，与探测器各像元上加之的本振电信号间产生电混频，其差频信号，便是带有目标四维像信息的信号，经后期处理，便可得到目标区的强度像和距离像的四维像。

陆军实验室用此方案和装置，已获得了远处目标的四维图像。但是这一工作进一步发展受到限制，主要是探测器有的材料GaAs，其响应波长在0.5～0.9μm波段，而这一波段可用的激光器只有半导体激光器。由于体制是光电混频，这就要求用到的激光器只能是单管的半导体激光器，然而单管半导体激光器输出功率充其量在3-4W之间，不能再做到大的功率输出，这样从激光雷达方程可以看到，成像距离就受到了很大限制。

陆军实验室因此也提出了进一步发展的方案，即将发射激光器，改为当时已经发展起来的光纤激光器，特别是1.55μm波长的光纤放大器，与之相适应的MSM探测器，因GaAs材料响度应波长限制，再用GaAs材料就不再匹配。故提出了用InGaAs材料做为探测器，但方案提出后，至今尚没报导过用InGaAs材料研制的大面阵的(如64×64像元的)MSM结构的探测器。

国内也有过报导用InGaAs材料MSM结构探测器做的有关工作。但尚没有对大面阵，比如64×64像元的，InGaAs材料MSM结构探测器的报道。

FM/CW体制需要MSM结构的面阵探测器，从需求来总结，这种探测器需要满足如下要求：

1.首先应能满足探测器与激光器波长的一致。