Инфракрасное излучение (ИК излучение) -- электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красной границей видимого света (л = 0,75 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (л ~ 1 мм) (Рисунок 1). Инфракрасную область спектра обычно условно разделяют на ближнюю (л от 0,75 до 1,5 мкм), среднюю (1,5--5 мкм) и дальнюю (5--1000 мкм).

Рисунок 1 - Спектр электромагнитного излучения

Оптические свойства веществ в инфракрасной области спектра, как правило, отличаются от оптических свойств в видимой и ультрафиолетовой областях. Многие вещества, прозрачные в видимой области, оказываются непрозрачными в некоторых областях инфракрасного излучения и наоборот. Например, слой воды толщиной в несколько см непрозрачен для инфракрасного излучения с л > 1 мкм (поэтому вода часто используется как теплозащитный фильтр), пластинки германия и кремния, непрозрачные в видимой области, прозрачны в инфракрасной (германий для л > 1,8 мкм, кремний для л > 1,0 мкм). Чёрная бумага прозрачна в далёкой инфракрасной области. Вещества, прозрачные для инфракрасного излучения и непрозрачные в видимой области, используются в качестве светофильтров для выделения инфракрасного излучения. Ряд веществ даже в толстых слоях (несколько см) прозрачен в достаточно больших участках инфракрасного спектра. Из таких веществ изготовляются различные оптические детали (призмы, линзы, окна и пр.) инфракрасных приборов. Например, стекло прозрачно до 2,7 мкм, кварц -- до 4,0 мкм и от 100 мкм до 1000 мкм, каменная соль -- до 15 мкм, йодистый цезий -- до 55 мкм.

По характеру взаимодействия электромагнитного излучения с чувствительным элементом приемники делят на две большие группы - тепловые и фотоэлектрические. В отличие от тепловых приемников, в которых нагрев материала поглощаемыми фотонами приводит к изменению измеряемых электрических свойств, в фотоприемниках имеет место прямое взаимодействие между падающими фотонами и электронами полупроводникового материала чувствительного элемента. Согласно представлениям зонной теории твердого тела [1] уровни энергии, на которых могут находиться электроны атомов кристаллической решетки, образуют зоны (Рисунок 2, а). Наивысшая энергетическая зона, заполненная электронами, называется валентной. Следующую за ней дозволенную зону, которая может быть и не заполненной электронами, называют зоной проводимости. Между этими зонами расположен энергетический зазор, запрещенный для электронов квантовомеханическими законами.

1 - электрическое поле; 2 - электрон; 3 - фотовозбуждение; 4 - дырка; 5 - зона проводимости; 6 - валентная зона; 7 - акцепторный уровень; 8 - донорный уровень.

Рисунок 2 - Фотопроводимость собственная (а) и примесная (б)

Проводимость материала обеспечивается только электронами, находящимися в зоне проводимости. В полупроводнике ширина запрещенной зоны достаточно мала, так что даже при комнатной температуре энергия некоторых электронов из валентной зоны становится достаточной для их перехода через запрещенную зону в зону проводимости. Состояния, ранее занятые этими электронами, положительно заряжены и называются дырками. При наличии внешнего электрического поля электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне будут передвигаться в противоположных направлениях, обеспечивая проводимость полупроводника.

Описанный чистый беспримесный полупроводник называется полупроводником с собственной проводимостью. Падающие на него фотоны отдают энергию валентным электронам, которые переходят в зону проводимости и образуют электронно-дырочные пары, изменяющие проводимость. Использующие это явление собственной фотопроводимости приемники излучения называются фотосопротивлениями. Фотосигнал с приемника будет наблюдаться в том случае, когда энергия фотона превышает ширину запрещенной зоны. Поскольку для освобождения носителей тока (электронов и дырок) требуется некоторая минимальная энергия, характерная для данного материала, каждый тип приемника имеет длинноволновую границу, за которой энергия фотона уже недостаточна для создания носителей тока.

Для идеальных фотоэлектрических приемников излучения сигнал будет возрастать с уменьшением длины волны падающего потока фотонов, энергия которого поддерживается постоянной. С увеличением длины волны энергия каждого фотона уменьшается и при некоторой длине волны будет уже недостаточной для возбуждения носителей заряда: сигнал приемника будет резко уменьшаться. Эту длину волны, за которой приемник становится нечувствительным, называют точкой отсечки.

Как известно, элементарные полупроводники - кремний Si и германий Ge - имеют точки отсечки соответственно при длинах волн 1,1 и 1,8 мкм. Ширина запрещенной зоны у двойных соединений - сульфида и селенида свинца (PbS, PbSe), арсенида индия (InAs), антимонида индия (InCb) - уже, чем у Si и Ge. Они обладают собственной фотопроводимостью вплоть до длинноволновой границы 2,9; 5,4; 3,2 и 5,4 мкм соответственно для PbS, PbSe, InAs и InCb.

В связи с этим [2] были предприняты усилия в направлении создания приемников излучения с собственной проводимостью для области спектра в диапазоне длин волн 8-12 мкм. В 1960-1970-х годах были получены так называемые тройные соединения кадмий-ртуть-теллура (HgCdTe) и олова-свинец-теллура (PbSnTe), представляющие собой полупроводниковый сплав, ширина запрещенной зоны которого зависит от количественного содержания составных компонентов в смеси. Варьируя состав сплава HgCdTe, можно получать граничную длину волны, непрерывно изменяющуюся в широком диапазоне длин волн от 1 до 30 мкм.

Другим способом сдвига порога в сторону более длинных волн для полупроводниковых материалов с широкой запрещенной зоной является введение других чистых полупроводников в небольших количествах примесей. В результате легирования исходного материала примесями на энергетической диаграмме (Рисунок 2, б) в запрещенной зоне появляются энергетические уровни примеси. Атомы примеси, энергетические уровни которых расположены вблизи валентной зоны, способны забирать (акцептировать) электроны из основного вещества. Дырки, возникающие при этом в валентной зоне, становятся зарядоносителями. Такие примеси, приводящие к недостатку электронов, называются акцепторными [3].

Соответственно примеси, уровни которых размещены вблизи зоны проводимости, могут отдавать электроны при возбуждении, действуя как доноры электронов и обеспечивая электронную проводимость материала. Подобная проводимость называется примесной фотопроводимостью и наблюдается в том случае, когда энергия падающих фотонов недостаточна для образования электронно-дырочной пары при переходе из валентной зоны в зону проводимости, но ее хватает, чтобы возбудить атом примеси до состояния, когда образуется свободная дырка и связанный на акцепторном уровне электрон и свободный электрон и связанная дырка на донорном уровне. Длинноволновая граница примесной фотопроводимости определяется шириной узкой энергетической зоны между валентной зоной и акцепторным уровнем или между донорным уровнем и зоной проводимости.

Для создания приемников излучения с областью спектральной чувствительности, соответствующей "атмосферному окну" в интервале длин волн 8-14 мкм, в качестве основной кристаллической решетки чувствительного элемента применяют Ge, в качестве примеси - Hg. У фотоприемников с примесной проводимостью на основе Si легирующей добавкой могут служить Cu, В, Al, P, As, Sb. Длинноволновая граница этих приемников изменяется в пределах длин волн от 16 до 30 мкм.

На базе приемников инфракрасного излучения строятся спутниковые радиометры с принципиальной схемой, показанной на Рисунке 3.

полупроводниковый температурный влагосодержание валидация

Рисунок 3 - Принципиальная схема радиометра

В настоящее время количество спутниковых радиометров, выведенных на орбиту, достигает нескольких десятков единиц. Эти радиометры ведут съемку в различных спектральных диапазонах, что позволяет строить глобальную картину происходящих на Земле изменений и делать достаточно точные прогнозы.

1.2 Спутниковые радиометры

Одним из дистанционных методов геотермического картографирования является аэрокосмическая съемка в инфракрасной (ИК) области спектра. Как правило съемка производится в средней (SWIR - short wave infrared) и дальней (TIR - thermal infrared) частях ИК области спектра (1,5-5,0 и более 5,0 мкм, соответственно). В указанных спектральных диапазонах распространяется собственное тепловое излучение объектов земной поверхности. Интенсивность излучения в основном обусловлена тепловым состоянием излучающей поверхности, поэтому съемку, выполняемую в средней (SWIR) и дальней (TIR) частях ИК области спектра, называют "тепловой инфракрасной".

Обзор имеющихся космических средств ДЗЗ в ИК области спектра

Аэрокосмический дистанционный анализ земной поверхности в средней и дальней частях ИК области разрабатывался с середины 1960-х годов исключительно в целях военного применения. Съемки в TIR диапазонах проводились в целях гидрогеологического изучения территории. Длины волн больше 15 микрометров полностью поглощаются атмосферой и для изучения земной поверхности космическими дистанционными методами малоинформативны. Впоследствии такие съемки стали проводиться авиационными СВЧ - радиометрами.

Регулярные и широкодоступные данные по изучению тепловых свойств земной поверхности стали поступать в конце 1970-х годов с метеорологических спутников NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) (радиометр AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer)), после запуска спутников Landsat-5 (запущен в 1984 г.) и Landsat-7 (запущен в 1999 г.) в 6 канале радиометров TM и ETM (соответственно), а также спутников TERRA, запущенного в 1999 г. (радиометры MODIS и ASTER) и AQUA (радиометр MODIS), запущенного в 2002 г. Эти данные ДЗЗ в настоящее время наиболее доступны для российских исследователей и могут быть получены из Интернет или на приемную станцию непосредственно с космического аппарата (NOAA, TERRA, AQUA). Возможности съемки вышеуказанными радиометрами в NIR, SWIR и TIR частях ИК области спектра приведены в Таблице 1.

Таблица 1 - Сравнение характеристик спутниковых спектрорадиометров

1.3 Теория излучения в задачи теплообмена