为适应非制冷红外探测器高空间分辨率的发展趋势, 非制冷红外焦平面阵列作为非制冷红外探测器的核心部件不断向大阵列、小像素方向发展。本文针对二极管型非制冷红外焦平面阵列, 理论分析了敏感元件二极管对读出电路以及器件性能的影响, 在确定二极管最佳工作电流的同时, 提炼出二极管结构中串联个数以及结面积为主要性能影响因素。基于此, 设计了 p+n-pn-n+p三合一二极管, 并将其与传统二极管、回型二极管、 p+n-n+p二合一二极管、以及由 p+n-n+p二合一二极管直接拓展得到的两种三合一二极管进行了对比考察, 研究发现 6种结构中 p+n-pn-n+p三合一二极管在相同尺寸下拥有最多的二极管串联数量且结面积相对最大; 进而利用 Sentaurus TCAD仿真, 验证了在同一整体尺寸下, p+n-pn-n+p三合一二极管的电压温度系数分别约为 p+n-n+p二合一二极管, 及在其基础上直接拓展得到的两种三合一二极管的 1.5倍, 为回型二极管与传统二极管的 2.6倍、3.7倍。证明了在小像素下 p+n-pn-n+p三合一二极管性能最优, 且在其基础上拓展可得到 N合一二极管能进一步优化器件的性能。

陶瓷封装是非制冷红外探测器最主流的封装形式, 封装的低成本、小型化和高可靠性是发展方向。在某款陶瓷封装探测器结构的基础上, 提出一种优化结构, 优化后成本降低约 5%、体积缩小约 30%。基于 ANSYS Workbench有限元分析软件, 从网格数量无关性验证出发, 分析了非制冷红外探测器陶瓷封装原始结构和优化结构各组件在 10.2G随机振动环境和 500g半正弦波冲击振动环境的最大等效应力和最大形变, 结果显示两种结构均满足可靠性要求。在此基础上, 本文对优化结构红外窗口的不同材料和不同厚度进行了 500g半正弦波冲击振动环境可靠性仿真, 结果表明: 0.3 mm～1.0 mm厚度锗窗口和硅窗口均满足可靠性要求, 最大等效应力和最大形变与窗口厚度呈负相关, 相同厚度的红外窗口, 硅窗口比锗窗口可靠性表现更好。本文的研究为非制冷红外探测器陶瓷封装形式的后续结构设计和仿真计算提供了参考。

红外成像系统已经应用到**和民用领域多年，但一直没得到广泛应用，主要原因是其分辨率低、成本高、工艺不稳定和技术门槛高等。解决这些问题需要从传感器工艺、探测器封装、红外图像处理芯片等方面加以改进。红外技术未来会朝低成本、专用处理芯片、高分辨率等方向发展。目前，国内厂商陆续推出了晶圆级封装（Wafer-Level Package,WLP）、高分辨率探测器和专用图像处理芯片等方面的新产品。但采用这些新器件的红外成像系统却没有得到相应的研究。本文主要基于烟台艾睿光电科技有限公司新推出的晶圆级封装的1280×1024元红外探测器以及专用图像处理芯片的实际应用，在系统架构、结构散热、成像算法等方面对由新器件构建的红外成像系统进行了验证分析。

非制冷红外探测器产生的杂散光会在焦平面形成非均匀的图像,而在探测器窗口附近使用光阑,并对其开孔形状进行优化设计,是抑制杂散光的关键。利用区域法建立了杂散光在焦平面上的照度分布计算模型,并建立了变量模型和目标函数模型,以区间穷举法作为极值搜寻方法,完成了优化光阑开孔的程序编制。针对某款存在杂散光问题的非制冷红外探测器,利用所提数学方法优化设计了光阑的开孔形状,极大地削弱了由杂散光引起的“锅盖效应”,从而验证了光阑开孔形状优化设计方法的正确性与实用性。

针对非制冷红外焦平面阵列(Uncooled Infrared Focal Plane Array, UIRFPA)对多目标成像时动态范围有限的问题, 基于探测器特性提出了一种根据目标调整动态范围的方法。积分前, 根据所选目标初始成像的灰度分布实时调整电容; 同时逐点配置像元偏压, 以适应动态范围并完成非均匀性校正(Non-Uniformity Correction, NUC); 依次实现局部目标的最佳成像效果。最后搭建了一种用于验证此方法可行性的红外成像系统。结果表明, 本文方法实现了动态范围的实时调整, 并获得了清晰的局部关键目标图像。由于解决了动态范围与目标不匹配的问题, 该方法对非制冷红外成像系统在多目标场景下的拓展应用具有一定意义。

针对非制冷红外焦平面阵列(Uncooled Infrared Focal Plane Array, UIRFPA)对多目标成像时动态范围有限的问题, 基于探测器特性提出了一种根据目标调整动态范围的方法。积分前, 根据所选目标初始成像的灰度分布实时调整电容; 同时逐点配置像元偏压, 以适应动态范围并完成非均匀性校正(Non-Uniformity Correction, NUC); 依次实现局部目标的最佳成像效果。最后搭建了一种用于验证此方法可行性的红外成像系统。结果表明, 本文方法实现了动态范围的实时调整, 并获得了清晰的局部关键目标图像。由于解决了动态范围与目标不匹配的问题, 该方法对非制冷红外成像系统在多目标场景下的拓展应用具有一定意义。

针对非制冷红外焦平面阵列（Uncooled Infrared Focal Plane Array，UIRFPA）成像系统中普遍存在的非均匀性较差的问题，本文提出了一种基于探测器工作偏压对其输出影响来进行片上非均匀性校正（Non-uniformity Correction, NUC）的方法——探测器片上偏压逐点NUC 技术。该方法是在探测器每一个像元关键偏压VEB 和VFID 上使用DAC 供电，通过在积分前对每个像元的偏压进行单独的调整来校正其信号输出值。在不影响探测器帧频的情况下，实现了非均匀性从1.9%降低到0.4%，有效改善了探测器原始信号的非均匀性，且具有很好的实时性。

传统的红外光谱探测技术能够提供丰富的光谱信息, 应用广泛, 但该技术同时也存在一定局限性, 如很难同步实现探测器小型化和探测波段实时调节等方面的要求.提出了一种基于电可调表面等离子体谐振吸收的新型FET红外探测器结构.基于电磁场理论分析了结构参数对红外光学吸收的影响, 并通过结构参数的优化使吸收结构对特定红外波段的吸收率达到90%以上.栅压变化时VOx热敏层中载流子的浓度分布和折射率均发生变化, 显示该器件具有明显的电可调光谱吸收特性.借助于这种FET结构, 非制冷红外探测器将具有片上可调光谱探测能力, 同时具有易于阵列化特点, 为微小型可配置光谱成像探测器件提供了一条思路.

利用磁控反应溅射镀膜方法在低温(250℃)条件下制备了主要成分为B相亚稳态二氧化钒(VO2)的薄膜材料。电学性能测试表明: 室温下该薄膜的方块电阻为50kΩ左右, 电阻温度系数为-2.4％/K, 可以作为非致冷红外微测热辐射热计的热敏材料。

研制ULIS公司640×480非制冷探测器的非标SOIC管脚的无应力接口装置,解决了批量测试中非标SOIC管脚的精确连接问题,减少对被测探测器管脚的损坏。编制探测器工作所需要的偏压和时序,保证探测器正常工作。采用LAKESHORE温度控制器,保证非制冷红外探测器焦平面工作温度的精度控制在8 mK以内。采用MATLAB编制了测试软件,对采集的数据进行处理,得到满意的结果,解决了现有测试系统不能处理512×512以上面阵焦平面探测器数据的问题。