女科学家讲科普：来自太空的“慧眼”——航天遥感红外探测器

　　中国科学院上海技术物理研究所研究员，博导，上海市女科学家联谊会会员。目前从事航天遥感光电子器件的研究工作。

　　有首歌唱得好：“借我借我一双慧眼吧，让我把这纷扰看得清清楚楚明明白白真真切切…….”

　　要看清世界万物，更需要一双明亮的眼睛，需要那些超越人类视力极限的智慧之眼。

　　世界无限，人眼的视野却是有限的。通过自己的双眼，我们只能看到眼前的美景，就像下图所示意的一样；

　　而如果我们用发射卫星用航天仪器来代替人眼，去到几百公里甚至几万公里的太空、去俯瞰我们美丽的地球，就可以看星空综合得更多、看得更远，可以对浩瀚宇宙进行科学探索。

　　有了航天遥感仪器，人类的视野得到了极大的拓展。它们看得更远，可以俯瞰地球，可以探视月球、火星，还可以探索宇宙起源；它们看得更多，能够看到人眼能感知的可见光和人眼所无法感知的红外光信息。

　　这些航天遥感仪器之所以能够全天候地“看到”大气、海洋、陆地、河流和矿产资源等，是因为它们有一个对红外线特别敏感的“眼睛”。

　　安装在航天遥感仪器上的那双“慧眼”，是红外探测器。它是一种光电转换器件，能够把入射的微弱红外光转换为可以测量的电信号的元器件。和我们熟悉的太阳能电池相似的是，它们的任务也是把“光”转变为“电”。区别在于，太阳能电池是将“可见光”转换为“电”，而红外探测器是将红外光信号转换为电信号输出。

　　我们人眼能够看到的光叫作“可见光”，波长在400nm-750nm之间，而眼睛能够感受到的“赤橙黄绿青蓝紫”各种颜色的光，都来自于红、绿、蓝三种基本色，只是波长各不相同。

　　红外光也叫红外线，波长介于微波与可见光之间（见图7中的电磁波谱波长的分布）。它的波长比可见光中的红色光要长。

　　任何温度高于绝对零度（-273.15℃）的物质，都可以发出红外光。也就是说，地球上的所有山川河流、矿物、建筑、动植物等等，包括我们每个人，都会发出红外光！物体的温度越高，辐射出的红外线越多。物体的元素特征不同，辐射出的红外线波长也不同。

　　因此，我们给航天遥感仪器上安装上红外探测器这双“慧眼”，就能通过“看”到所有目标红外辐射光的大小和波长信息，来进行对地球大气、海洋水色水温、地物矿产资源、环境灾害以及军事目标的探测。

　　红外波段可以分为短波红外、中波红外、长波红外、甚长波红外以及远红外，不同波段探测都有不同的用途。这下，即使在伸手不见五指的黑夜，它也能像歌曲里唱的那样——“把这纷扰看得清清楚楚明明白白真真切切”了。

　　红外探测器由一个个像元组成，是运用对红外光敏感的特殊半导体材料，经过很多道复杂的半导体工艺制备而成。目前已经从单元的器件发展到2048×2048元（400万像素）的红外面阵器件，由于这类器件工作是一般安放在成像透镜的焦面上，所以它们又被叫做红外焦平面器件（IRFPA）。

　　红外焦平面探测器的像元尺寸通常为20~30微米，这是由卫星的轨道高度和仪器的空间分辨率以及光学系统共同星空综合决定的；探测器的元数（即规格大小）和空间分辨率共同决定了仪器所能看到的视场大小，即仪器的刈幅（一般30公里~300公里不等）。

　　以天宫二号上的尖端相机--多角度宽波段成像仪为例，上面安装了800×2个像元短波红外探测器和400×2个像元的长波（热）红外探测器，它可以看到300公里幅宽的海洋水色、水温，叶绿素、悬浊物含量、洋流信息。

　　随着航天遥感技术的发展和提高，科学界对遥感仪器提出了“四高”的要求：高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率和高辐射分辨率。相应地，我们对红外探测器的性能和规格要求也越来越高。

　　回首过往，红外探测器的发展只有短短五十多年的历史，已从一代、二代器件发展到第三代器件。目前，融入智能化概念的第四代器件也在研究中。

　　我们坚信，红外探测器这种拓宽人们感知世界能力的技术，这双持续“进化”的慧眼，未来还将为人类做出更多的贡献。