制冷型红外探测器技术进步推动了众多红外遥感设备的快速发展，这些设备广泛应用于环境监测领域，包括高光谱遥感、空间成像与监控等。得益于低温制冷型探测器的超高灵敏度，红外系统已实现多光谱波段成像，其覆盖波长范围可达25 μm。

许多高光谱遥感系统可应用于极近红外（VNI）及短波红外（SWIR）波段。侦察系统——甚至一些气象和环境观测系统——则工作于中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）波段。红外系统性能取决于探测器规格（包括线性阵列与二维阵列）以及阵列与像素尺寸。为满足太空任务需求，科学家们已研制出经过严格认证、具备高可靠性与高性能的坚固耐用的红外探测器。

遥感

随着新应用的发现和新型探测器技术的发展，使用红外探测器阵列的遥感仪器设备持续增加。用于对陆地表面、海洋或大气发射、反射或透射的辐射进行采样的红外传感器可以提取关于这些目标物体的特征、物体和类别的信息。遥感仪器设备通常搭载于对地观测研究飞机或卫星（见图1），为民用、研究和军事目的提供全球测量数据。这类仪器设备还搭载于宇宙飞船、月球车和空间探测器，在地外环境中开展遥感探测研究。

图1 欧洲航天局发射的“金星快车”

多光谱红外遥感系统在多个光谱波段生成图像。自1972年以来，由美国国家航空航天局（NASA）和美国地质调查局共同管理的Landsat计划，通过其地球观测卫星任务从太空收集信息，为遥感仪器设备的成熟发展作出了重大贡献。Landsat已经部署多代多光谱传感器，这些传感器将电磁频谱细分为不同的波长波段。由此产生的图像可用于对观测区域进行宏观土地分类，从而创建地图来监测土地使用情况，并突出显示健康植被区、未开垦田地和城市地区。

高光谱传感器为红外遥感系统带来了革命性突破，大大提高了光谱性能。与在不同光谱波段采集数据的多光谱传感器不同，高光谱传感器可以在宽的连续范围内（例如从可见光到2.5 μm）采集许多非常窄的光谱波段（通常为10-20 nm）的数据，从而捕获近似连续的光谱范围。因此，捕获的数据量明显大于多光谱系统。如图2所示，获取的高光谱数据立方体可视为观测区域的一组图像集合，每张图像对应该区域在特定窄光谱波段的光谱反射率。

红外探测器阵列 尽管早期的遥感仪器基于红外探测器，包括单个探测器或与机电扫描仪结合使用的线性阵列，但新的探测器技术表现出了显著的性能改进，提供了不需要相同扫描机制的凝视阵列。对于要求苛刻的应用，已经开发出对红外辐射具有极高灵敏度的制冷型探测器阵列。这类探测器的制冷处理将热噪声（非观测目标源产生的红外辐射）降低到非常低的水平，进而推动高光谱遥感、空间成像与监视等应用的快速发展。 遥感仪器设备中已应用多种红外探测器材料，包括硅（Si）、碲镉汞（MCT）、铟镓砷（InGaAs）、锑化铟和量子阱红外光电二极管。由于技术成熟度高、性能卓越且光谱响应范围宽等特性（见图3），碲镉汞红外探测器已成为遥感应用中使用最广泛的探测器，其在可见光至极长波红外（VLWIR）的全光谱范围内具有高灵敏度。

图3 碲镉汞（MCT）具有独特的性质，使其成为满足可见光、短波红外、中波红外、长波红外、甚长波红外波段探测需求的理想探测器候选者。

红外遥感系统的光谱范围选择取决于目标应用场景。面向商业、科研及科学应用设计的系统，通常工作于0.8-2.5 μm短波红外波段；而用于对地观测的军事应用系统，传统上工作于中波红外（3至5 μm）和长波红外（8至12 μm）波段。其他应用，例如气象学或温室效应监测，则需依托甚长波红外（12至25 μm）波段。

随着红外探测器技术的进步，已制造出大型一维和二维红外探测器阵列。为了在期望的低噪声下工作，探测器必须冷却到非常低的温度，通常在50到200k之间。为了实现这一目标，探测器需要安装在一个密封的杜瓦瓶中，或者与低温制冷器集成，或者安装在一个可以使用被动制冷的系统中（见图4）。

图4 高光谱成像需要大阵列且具有高光谱分辨率的高量子效率探测器。图示为Sofradir的Saturn，这是一种覆盖可见光到短波红外的1000 x 256 x 30 μm碲镉汞探测器，提供两种配置：用于机载应用的杜瓦瓶/制冷机集成方案（左下）和用于星载应用的被动制冷封装方案（右下）。

应用场景多样

红外遥感系统的数量迅速增加，主要是由于制冷型红外探测器技术的进步，包括具有优异灵敏度和可靠性的二维凝视阵列的发展。基于碲镉汞凝视阵列的系统是最常见的，这得益于其卓越性能、光谱响应灵活性强以及空间级的成熟设计。

欧洲航天局（ESA）于2005年底发射的“金星快车”号探测器，自2006年4月起持续绕金星轨道运行，使研究人员能够以前所未有的精细度和准确度对金星大气及云层展开研究。金星大气特征探测光谱仪（SPICAV）作为探测器搭载的一台遥感仪器，采用工作波长范围在2.2-4.3 μm的中波红外碲镉汞探测器，透过金星大气对太阳进行观测。这一观测方式能够对金星大气的红外吸收情况展开分析，进而揭示金星大气自身的诸多特性。

图5 借助“金星快车”，可对不同波长的图像进行对比分析，从而能够研究金星的湍流大气。 AVIRIS是一种高光谱仪器，由NASA喷气推进实验室于1987年生产，其设计初衷是帮助了解与全球环境及气候变化相关的过程。该光学传感器在400-2500 nm波长范围内可提供224个连续光谱波段的校准图像。AVIRIS项目的主要目标是识别、测量和监测地球表面和大气的成分。 NASA开发了MODIS（中分辨率成像光谱仪）的增强版本。eMAS（增强型MODIS机载模拟器）将搭载于高空研究机，用于云层测绘与环境状况监测。它将执行许多与AVIRIS（植被覆盖监测与海洋水色测量）相似的科学任务，旨在量化全球气候变化的影响，并通过更精确的实测数据优化气候模型。借助大型碲镉汞短波红外阵列，该系统将在800-2500 nm光谱波段内实现5 nm光谱分辨率与50 m空间分辨率，从而显著提升数据质量。 机载棱镜实验（APEX）由瑞士-比利时联合团队代表欧洲空间局（ESA）研发。作为未来星载高光谱成像仪的模拟实验平台，该系统搭载了如图4所示的碲镉汞红外探测器。在2008年10月至2009年6月期间的密集测试中，通过在瑞士、德国和比利时上空的试验飞行，记录了900-2500 nm波长范围内约190个波段的高光谱数据立方体，光谱分辨率为1-5 nm，在4-10 km飞行高度下可实现2-5 m的地面空间分辨率。APEX计划开展更多探测任务，以收集更多的高光谱数据。

图6 欧洲航天局“金星快车”探测器搭载遥感仪器环绕金星运行的艺术示意图。

GCOM-C（全球变化观测任务）卫星上的第二代全球成像仪是为监测全球环境变化而设计的。遥感传感器在近紫外到热红外波段工作，提供对云和气溶胶、冰川、积雪和海冰的高精度测量，并监测地球温度（海洋和陆地）。为了进行一些必要的测量，法国Sofradir公司（已与ULIS 合并后更名为Lynred）开发了一种定制的甚长波红外（VLWIR）碲镉汞传感器，其探测波段包含10.8 μm和12 μm两个吸收带。探测器封装在杜瓦瓶中，并与低温冷却器集成，以保持55 K的温度。

NASA的广域红外巡天探测器于2009年底发射，其工作波段覆盖3-25 μm的红外波段范围，致力于探索行星、恒星和星系的起源。该卫星搭载的3.4、4.6、12和22 μm的红外探测器阵列，用于绘制天图。

欧洲航天局的Sentinel-2极地轨道双星配备被动冷却碲镉汞探测器，该探测器由Sofradir公司为地球观测开发。基于新型空间级碲镉汞封装技术，生成高分辨率多光谱图像，以满足业务化陆地监测和应急服务的需要。每颗Sentinel-2卫星均搭载一台多光谱成像仪，其幅宽达290公里，涵盖13个光谱波段。

红外遥感系统的另一个常见用途是军事情报卫星，例如用于侦察与情报搜集任务。一些国家已经在其军事卫星上部署可见光、短波红外、中波红外及长波红外探测器，以收集具有国家安全价值的地面目标信息与活动情报。与非军事系统相比，许多军事卫星能提供更卓越的图像分辨率。