NASA將在新太空任務中驗證下一代紅外光電探測器

在美國國家航空航天局（NASA）機器人燃料加註任務第三階段（RRM-3）期間，在軌道上為衛星維修和補給燃料的測試工具與技術，將不會是國際空間站上的唯一演示驗證任務。

據麥姆斯諮詢報道，一款先進的高度緊湊的熱像儀（最早可追溯的前身正安裝在NASA陸地衛星8號（Landsat-8）上飛行），目前已安裝在RRM-3有效載荷的一角，一旦11月SpaceX Dragon補給車向軌道前哨交付有效載荷，這款熱像儀將會從其位置清晰地拍攝地球表面的照片和視頻。

當RRM-3演示由NASA的衛星服務項目部門（Satellite Servicing Projects Division，SSPD）開發的專用衛星服務工具時，伴隨而來的這款緊湊型熱像儀（Compact Thermal Imager，簡稱CTI），將會對地球表面的火災、冰原、冰河和雪表面的溫度進行成像與測量。

CTI還將測量從土壤和植物轉移到大氣的水分，這是研究了解植物生長的重要測量方法。包括上述測量與成像在內的地球科學家研究的許多條件，都可以在紅外波段方便地進行探測。

該圖為在NASA即將推出的機器人服務示範任務中展示的先進探測器技術

（圖片來源：NASA）

基於應變層超晶格技術（SLS）的CTI

這款CTI的使能技術是一種被稱為應變層超晶格（Strained-Layer Superlattice，簡稱SLS）的相對較新的光電探測器技術。

Murzy Jhabvala是位於馬里蘭州Greenbelt的NASA戈達德太空飛行中心（Goddard Space Flight Center）的探測器工程師，他介紹道：「SLS除了擁有非常小的尺寸（長約16英寸、高約6英寸），其特點還包括功率小、可在液氮溫度下運行、易在高科技環境中組裝且成本廉價（幾乎可當作一次性產品）等。」Jhabvala與其產業合作夥伴——位於新罕布希爾州（New Hampshire）的QmagiQ公司，共同合作開發了這款SLS探測器組件。

Jhabvala補充道，這項探測器技術也可為不同應用快速且方便地提供定製方案。例如，戈達德探測器開發實驗室（Goddard Detector Development Laboratory）最近製造了一個1024 x 1024像素的SLS陣列，並計劃在不久的將來將其尺寸增至2048 x 2048像素。

CTI和其SLS探測器將採用的另一項使能技術，是由戈達德開發的SpaceCube 2.0，這是一款強大的混合型計算系統，它將控制儀器並處理在軌道中所需的圖像和視頻。

Jhabvala認為，此次示範的目標是將SLS的技術成熟度（Technology Readiness Level，TRL）提高至TRL-9，達到該級別就意味著SLS已能在太空中飛行，並證明它可在太空極端環境條件下良好運行。Jhabvala說：「這是非常重要的技術里程碑，我們需要通過這個任務來證明。當我們成功地完成了探測器陣列演示，更多的探測器就可被製造、組裝並接入焦平面陣列，這將使我們未來有能力從太空對大片的地球表面進行成像。」

基於量子阱紅外光電探測器（QWIP）技術

SLS基於量子阱紅外光電探測器（QWIP）技術，Jhabvala與政府和業界合作夥伴花了20多年的時間對其進行改善。QWIP探測器目前正在陸地衛星8號上運行，並配備在即將完成的陸地衛星9號熱紅外感測儀器上。該紅外感測器被戈達德科學家用來監測陸地表面潮起潮落和植被健康狀況，西方國家可利用這些數據來監測全球水源消耗。

與其QWIP前身一樣，SLS是一款大尺寸探測器。這些陣列是基於半導體晶圓製造的。晶圓的表面由數百個相互交錯、非常薄的不同材料層構成，經過外延生長和調諧來吸收紅外光子並將其轉化為電子（即電流的基本粒子）。只有具有特定能量或波長的光才能釋放電子。讀取晶元直接與陣列配對，然後將電子轉換成計算機用來重建紅外源圖像的電壓。這樣，CTI也可以從距離地球表面近249英里的軌道上採集視頻。

10倍以上的靈敏度

SLS探測器比其QWIP前身的靈敏度高出10倍，並可在更寬的紅外光譜範圍和更高的溫度（70K，約-203℃）下運行。與之相比，QWIP陣列需要在42K（約-231℃）下正常運行。

Jhabvala認為，工作溫度的提高會對未來的任務產生多重積極影響。

紅外線輻射作為熱能被感知。因此，必須為測量紅外波長的探測器設計製冷，以防止儀器或航天器內部產生的熱量影響被觀測物體的測量值。這就是工程師們使用冷卻器和其他設備來保持探測器陣列和其他關鍵儀器部件溫度的主要原因。

目前，Jhabvala與其團隊已創造出可在更高溫度下運行的陣列，其冷卻系統尺寸更小，能耗更低。Jhabvala認為，利用這些屬性未來將會打造出尺寸更小、壽命更長、建造周期更短且成本更低的衛星。

就在RRM-3發布的前幾個月，Jhabvala回顧了該光電探測器技術的發展過程，以及與QmagiQ的合作歷程。QmagiQ已獲得NASA的小企業技術創新研究計劃（Small Business Innovation Research，SBIR）的資金支持，CTI團隊將強化QmagiQ開發的技術，用於太空應用。Jhabvala說：「在過去幾年裡，我們與QmagiQ公司共同合作取得了傑出成就。我們的持續合作已為NASA和美國政府帶來了真正的回報。我們與QmagiQ和NASA有著良好的信任基礎。」

右圖是利用基於SLS探測器陣列的成像效果，與左圖基於QWIP技術成像相比，其解析度有顯著提升

（圖片來源：NASA）

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