作者 吴月荣
摘要
纵观全球红外光谱探测器研究，美国仍处于国际领先地位，依托军事、航空、航天形成产、学、研、用一体化体系，从材料制成、芯片制造、封装、系统集成到人工智能全产业链贯通，长期主导全球高端红外探测器迭代与装备应用。本文系统梳理美国红外探测器产学研主体布局、军民领域应用现状，凝练碲镉汞、锑化物二类超晶格、非制冷氧化钒三大主流技术路线，剖析DARPA、NASA及美国国家实验室重点攻关的新型红外前沿体制，总结现阶段技术优势与产业化短板。与此同时，中国红外探测技术近年来快速赶超，在非制冷红外成像、工业气体泄漏光谱监测等民用领域已形成具有自主知识产权的系列化产品和行业解决方案，部分技术指标达到国际先进乃至领先水平。
一、全球主流红外探测器技术研发进展
全球红外探测器技术研发以美国为引领，已构建覆盖短波、中波、长波、远红外全波段的技术体系，包含非制冷室温探测、传统制冷型高灵敏探测、新型超晶格探测三大成熟路线，整体技术成熟度与产业化水平全球领先。中国在红外探测技术的民用转化与行业应用方面进展迅速，特别是在工业气体泄漏红外光谱监测领域，形成了具有自主知识产权的系列化产品和解决方案。
（一）非制冷红外探测器技术
非制冷红外探测器无需低温制冷，具备低功耗、轻量化、启动快、成本可控的优势，是美国军民两用红外设备的主流选型，核心技术为氧化钒（VOx）微测辐射热计，由Teledyne FLIR主导全球产业化。
近年来美国非制冷红外技术持续向小像元、大面阵、超高分辨率、片上智能化方向迭代。2026年Teledyne FLIR推出的Boson SX8探测器采用8μm超小像元工艺，实现1280×1024 SXGA超高分辨率成像，同等体积下成像性能为传统VGA探测器的4倍。其技术迭代核心集中在像元尺寸缩减（17μm→12μm→8μm）、阵列规模扩容、器件噪声抑制与片上AI图像处理模块集成，大幅优化了SWaP特性。目前该类器件主要覆盖8~14μm长波红外波段，唯一短板为极限探测灵敏度与远距离探测能力弱于制冷型探测器。
中国以艾睿光电为代表的企业，在非制冷红外探测器产业化方面取得了长足发展，在无人机、工业气体探测等领域打破了国外垄断。与此同时，中国企业将红外光谱技术深度应用于工业气体泄漏监测领域，形成了独具特色的国产化技术路线。
（二）传统制冷型红外探测器技术
制冷型红外探测器依托77K低温工作环境，具备高量子效率、高灵敏度、快响应速度的优势，是美国高端军工装备、高精度航天遥感系统的核心器件，主流技术包括碲镉汞（MCT/HgCdTe）、锑化铟（InSb）两类成熟路线。
碲镉汞探测器由Raytheon、Teledyne公司主导研发，可实现短波、中波、长波全波段覆盖，长期应用于高精度导弹导引头、机载远距离侦察、深空天文观测等高端场景。但该技术存在明显短板：核心原材料含重金属、大面阵晶圆制备工艺难度极大、生产成本高昂，规模化产能受限。
锑化铟探测器是美国中波红外（3~5μm）制冷探测器的主流器件，标准工作温度77K，具备成像均匀性好、工艺成熟、稳定性高的优势。L3Harris、洛克希德·马丁等已实现8K×8K超大面阵InSb焦平面量产，广泛装备于美军战机光电吊舱、坦克车长观瞄系统、舰载红外警戒系统等主战装备。
兴华衡辉与北京理工大学深度合作，在传统锑化铟探测器的图像处理、架构、去噪方面走在了世界前列。
（三）二类超晶格新型制冷探测器技术
InAs/GaSb二类超晶格（T2SL）探测器是美国近十五年重点攻关的下一代核心技术，由NASA JPL、西北大学、Raytheon联合研发，有效突破了传统MCT、InSb的技术瓶颈。其标志性成果为势垒型探测器（BIRD）/高工作温度势垒探测器（HOT-BIRD）架构，可在150K以上温度稳定工作，无需传统77K深制冷环境，大幅简化制冷机组结构。
T2SL探测器可实现单芯片双色/三色多波段集成，抗红外诱饵干扰、抗复杂环境遮蔽能力显著优于传统器件。目前该技术已完成工程化落地，HOT-BIRD微型探测器成功搭载于NASA c-FIRST火情观测立方星，同时大规模应用于高端长航时无人机光电探测、天基高精度遥感、防空反导远距离探测等领域，正逐步替代传统碲镉汞探测器，成为美军新一代光电系统的核心选型。
（四）短波与远红外探测技术
短波红外（SWIR, 0.5~1.7μm）探测领域，美国Teledyne旗下Sensors Unlimited公司处于国际垄断地位，其铟镓砷（InGaAs）短波红外探测器可实现室温工作，在0.95μm波段量子效率可达90%，采用背照式倒装焊工艺，可实现640×512大面阵、180Hz高帧频稳定成像，广泛应用于工业高温设备检测、半导体晶圆无损检测、全天候夜视透雾、航天光谱探测等场景。
远红外/极远红外探测领域，Raytheon、DRS公司研发的硅基阻挡杂质带（BIB）探测器技术成熟，是詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）的核心探测器件。NASA JPL迭代优化的新型热电堆远红外阵列探测器，将填充因子由25%提升至95%，搭载于PREFIRE立方星，长期开展极地热辐射、云和气溶胶参数观测。
（五）前沿创新探测器技术
美国高校与军工科研机构持续布局下一代红外探测技术。纽约大学研发的无重金属硒化银（Ag₂Se）量子点探测器，采用低成本溶液法制备，具备无毒、可大面积印刷、适配柔性基底的优势。2026年Raytheon Technologies公开演示的事件型红外探测器（EBID），摒弃传统帧频成像架构，仅采集运动变化的像素信息，可实现设备算力与功耗降低90%，能够高速跟踪导弹、无人机、超高声速飞行器等机动目标。超导纳米线单光子红外探测器（SNSPD）等新型器件已完成原理验证，为超高灵敏度微弱红外信号探测提供了全新技术路径。
二、美国红外探测器产学研体系及应用现状
美国构建“军方需求牵引+国家实验室攻坚+龙头企业产业化+高校基础创新”四层次研发体系。DARPA、美国空军研究实验室（AFRL）、NASA为核心经费拨付与项目管理主体。产业化龙头企业方面，Teledyne为全球碲镉汞焦平面龙头，垄断美军天基、深空高端探测器供货；L3Harris、洛克希德·马丁主打光电系统集成与锑化物超晶格器件研发；Raytheon主导军用低成本氧化钒非制冷芯片量产。国家级科研平台方面，喷气推进实验室（JPL）、桑迪亚国家实验室、劳伦斯利弗莫尔国家实验室专攻空间抗辐照探测器、超长波器件、片上集成探测芯片。高校基础科研团队方面，MIT、加州理工、杜克大学聚焦二维材料、超构表面、单光子红外等颠覆性新体制。
（一）国防军工应用
国防军工为美国红外技术迭代第一驱动力，占国内市场总需求的46%，覆盖空、陆、海、精确制导全作战场景。
空战领域，F-35战机搭载的光电分布式孔径系统（EODAS）基于大面阵InSb中波红外探测器，实现机身全向无源探测。无人机领域，微型Boson非制冷机芯广泛适配小型巡飞弹、单兵侦察无人机，轻量化T2SL制冷载荷搭载于长航时大型无人机。精确制导领域，标准-3反导杀伤器、空空导弹批量搭载中长波双色制冷红外导引头，抗烟火干扰能力全球领先。
陆战领域，非制冷红外器件批量应用于单兵夜视镜、车载驾驶夜视系统、无人地面车等，实现规模化低成本列装；高端T2SL制冷型探测器用于坦克远距离观瞄、远程武器站目标识别。海战领域，舰载红外警戒系统、水下红外尾流探测设备实现舰艇全方位安防预警。
天基战略预警领域，完成DSP、SBIRS、OPIR三代预警卫星迭代。现役SBIRS星座搭载大面阵双色碲镉汞焦平面；下一代OPIR星座适配锑化物二类超晶格多光谱探测器，重点破解高超音速飞行器微弱低温尾焰探测难题。
（二）航天遥感及深空探测
NASA长期持续投入，重点发展轻量化、高精度、智能化星载红外探测载荷。地球观测领域，c-FIRST小型卫星星座实现全球野火小时级重访监测；PREFIRE立方星搭载新型远红外探测器，长期观测极地热辐射；紧凑型热成像仪CTI部署于国际空间站。
深空探测领域，韦伯空间望远镜搭载定制化甚长波碲镉汞、硅基BIB探测器；高灵敏度InGaAs短波红外阵列应用于月球车地表探测、系外行星大气光谱分析。
（三）民用市场化应用
民用工业是美国红外探测器增长最快的第二大市场，覆盖工业无损测温、电力巡检、车载夜视、安防监控、医疗红外诊断五大场景。FLIR A系列InGaAs短波红外热像仪广泛用于电力线路、变压器、冶金高温炉、半导体晶圆的无损检测。智能驾驶领域，长波红外夜视探测器成为美国高端乘用车标配，相关需求占美国红外民用市场总量的18%。
三、中国红外光谱技术在工业气体泄漏监测领域的创新突破
中国在红外探测技术的民用转化方面取得了令人瞩目的进展，特别是在工业气体泄漏红外光谱监测领域，已形成具有自主知识产权的系列化产品和行业解决方案。
（一）天泰沣公司与北京智慧共享的战略布局
天泰沣（深圳）监测预警系统有限公司成立于2021年，总部位于深圳市南山区高新技术产业园，核心团队由高光谱红外监测、光电材料、云计算、物联网、人工智能等多学科专家组成。公司专注于“泄漏气体气云成像监测”领域，已成功研发出具有自主知识产权的系列高光谱红外危险化学品气体泄漏监测系统和设备，解决方案已在中国石油、中国石化、中国海油、化工园区等行业客户中广泛应用。2023年10月，公司与中国灾害防御协会共同成立危化有害气体监测技术发展中心，推动行业标准制定。
北京智慧共享技术服务有限公司多年来专注于利用红外高光谱技术在有害气体泄漏领域进行监测研究，在图像处理、视频传输、5G通信、大数据算法和人工智能等领域取得多项成果，已成为集科研、产品开发和销售为一体的高科技公司。公司与北京理工大学等院校开展深度战略合作，研制出具有完全自主知识产权的系列红外危险化学品气体泄漏监测系统和装备。公司技术骨干主要来自北京理工大学光电学院，首席科学家是多项国家重点课题负责人和国家“863”项目带头人。公司拥有各项专利近百项，多项技术已装备到我国航空、航天和国防工业上。
2023年11月，天泰沣与北京智慧共享正式签署战略合作协议，共同开拓气体监测和综合治理领域。双方秉持“引进、吸收、消化、再创新”的理念，将世界先进的气体泄漏监测产品和技术引入中国并实现本土化。
（二）多通道宽光谱技术突破
在多通道宽光谱技术方面，北京智慧共享取得了重大突破。2026年6月，国家知识产权局授权公告了“一种多通道宽光谱气体泄漏监测系统、方法、装置及介质”专利（授权公告号CN121805202B）。该系统采用多通道宽光谱红外成像技术，通过自带宽范围高清光比滤波技术、高精度指数光刻与刻蚀等关键技术，完成了覆盖长波红外谱段的多通道带通滤波器设计。其谱段数多于10个谱段，谱段范围覆盖8~12μm，光谱分辨率优于0.5μm，有效解决了传统红外成像系统无法有效分辨气体种类的难题，能够对多种目标气体进行远距离、大范围实时动态成像。
在系统架构方面，“气体泄漏成像监测系统”采用非制冷IRFPA（640×512，17μm）机芯，光学系统采用3×2多光谱通道红外物镜，完成了快照式红外多光谱场景成像。系统在机芯内完成IRFPA多光谱成像的非均匀性校正以及气云智能检测与识别、气云浓度预测等处理。系统可实现1秒自动检测到最低10PPM·M的泄漏气体，可实现对烷烃类等50种以上气体的检测识别，工作过程中无需重新配置，显著提高了探测效率。
（三）蜂窝成像阵技术突破
在蜂窝成像阵技术方面，双方联合研发了基于气云成像巡检与蜂窝模块的VOC泄漏立体监测方法。该技术将红外焦平面阵列划分为多个蜂窝状子区域进行并行成像处理，每个蜂窝单元可独立完成该区域的光谱采集、气体识别和浓度反演，通过多单元协同工作实现大范围场景的快速扫描与立体监测。
系统集成了非制冷型气云成像摄像机与嵌入式AI边缘计算单元，可在探测器端完成红外图像采集、光谱特征提取、气体种类识别和浓度反演的全链路处理。基于环境传感器数据，通过预训练的卷积神经网络进行区域分割和标识，使处理方式与实际环境场景匹配，显著提高了检测精度。
蜂窝式智能检测模块内置高精度PID传感器、GIS接收器、5G数据传输模块和通讯电路板，可对炼化企业重要装置和重点区域VOC泄漏开展在线监测。气云成像系统与蜂窝式智能检测模块相融合，构建“面-点结合”的立体监测网络——气云成像系统负责大范围扫描成像与快速初筛，蜂窝式智能检测模块提供精准定量测量与7×24小时不间断监测，实现从广域筛查到精确定位的完整监测闭环。
（四）科技成果评价与行业应用
2025年6月，“气体泄漏成像监测系统的研发与应用”项目通过中科合创（北京）科技成果评价中心组织的科技成果评价。该项目拥有自主知识产权，已获授权发明专利22件、外观设计专利6件、实用新型专利3件，成果已在中石油、中石化、中海油、中化集团等国家重点能源企业得到广泛应用。专家组评价认为，该项目成果总体技术达到国际先进水平，其中危害气体泄漏成像监测方面达到国际领先水平。
天泰沣与智慧共享联合开发的“气云成像”系统采用黑体辐射原理，通过定制开发的探测器、镜头实时采集每个像素的光谱信息，有害气体一旦泄漏即改变原有电磁波环境，经大数据运算识别气体种类和相对浓度，再利用人工智能渲染成视频图像，直观显示气体形态和羽流轨迹。天泰沣已与中国兵器工业集团、中海石油安全环保服务有限公司、常州大学、中国石油大学（北京）、中科院自动化所孵化单位等多个单位达成合作协议，系统已通过多个客户实地测试认可，并与核心客户签订了几千万元的意向采购订单。同时，天泰沣联合中国灾害防御协会共同制定能源行业“危险气体成像检测产品”的团体标准。
在技术创新方面，天泰沣申请了“基于卷积神经网络的气体泄露检测方法及系统”专利；天泰沣公司与北京智慧共享在基于气体红外特征光谱分析的光学成像仪量化评估系统、非制冷型气云成像摄像机、嵌入式AI边缘计算系统、基于AI模型的气体浓度识别方法等方面形成了完整的专利布局。
中国企业在红外光谱气体泄漏监测领域的技术突破和产业化应用，标志着中国在红外探测技术的民用转化方面已走在世界前列，形成了从核心器件、系统集成到行业应用的全产业链能力。
四、全球红外探测器整体研发技术路线
美国采用“成熟技术规模化、换代技术工程化、前沿技术储备化”的三级研发路线，形成四条并行互补的技术路线。中国作为快速追赶者，在非制冷红外焦平面产业化、红外光谱气体监测等民用领域形成了独具特色的技术路线。
（一）非制冷氧化钒微测辐射热计：低成本规模化普惠路线
由Raytheon、L3Harris联合量产攻关，以VOx热敏薄膜为核心，依托微桥绝热结构和低噪声CMOS读出电路，实现室温无源探测。该路线追求SWaP指标优化与规模化降本，适配单兵夜视、小型无人机、车载红外夜视、工业测温、安防监控等场景，是美国红外技术军民融合的基础底盘。
（二）传统制冷型碲镉汞/锑化铟：高端现役主力稳态路线
碲镉汞由Teledyne主导，优化P-on-N掺杂改性工艺，现阶段可量产8μm小像元4K×4K超大面阵焦平面。锑化铟主打中波红外高画质成像。该路线技术短板在于制冷依赖、成本高昂，美国将其作为现役保底技术，逐步由T2SL部分替代。
（三）InAs/GaSb二类超晶格T2SL：下一代换代核心路线
这是美国近十五年战略倾斜最高的技术路线，核心优势为带隙人工可调、全波段适配、无汞环保、抗辐照性能优于碲镉汞，可一体化制备双色/三色集成探测芯片。攻关重点为HOT势垒结构设计、单芯片多波段集成、暗电流抑制、大面阵均匀性提升。该路线定位为未来美军光电系统主力，逐步替代长波、甚长波碲镉汞器件。
（四）低维新材料与新体制探测器：未来技术储备路线
以量子点、硒化银低维材料、事件型感知、超导单光子探测为代表，由DARPA、NASA重点资助。该路线不追求短期工程落地，目标是为未来智能红外、超高速目标探测、深空极弱探测提供技术储备。
美国四条技术路线呈现“民用靠非制冷、现役靠传统制冷、未来靠超晶格、长远靠新材料”的清晰迭代逻辑。
五、美国重点布局前沿颠覆性红外探测器
（一）室温量子级红外探测器
DARPA OpTIm专项核心攻关技术，融合超构表面分光、微腔光谐振增强、低噪声读出一体化工艺，实现室温条件下逼近量子极限的探测灵敏度，适配微型巡飞弹、可穿戴单兵探测、微卫星轻量化载荷。
（二）中长波红外单光子探测器
依托MIT二维莫尔超晶格、石墨烯异质结构建单光子探测器件，将工作温度提升至25K，面向深空极弱天体探测、红外量子通信、高超飞行器极微弱尾焰预警。
（三）二维范德瓦尔斯材料红外探测器
重点布局石墨烯、黑磷、过渡金属硫族化合物异质结器件，具备无晶格匹配约束、带隙连续可调、超薄柔性、光电响应超快等优势。
（四）超构表面多维一体化探测器
杜克大学牵头研发，单片芯片同步完成空间成像、光谱拆分、偏振信息采集，专门针对战场伪装目标、红外诱饵、烟雾杂波干扰。
（五）三维堆叠存算一体化红外感知芯片
DARPA传感计算一体化专项方向，将焦平面阵列、存储单元、神经网络算力单元三维异构堆叠，实现探测器端原位降噪、目标特征提取、智能识别研判。
（六）硅基兼容低成本红外探测技术
基于锗硅外延、硅基BIB工艺，兼容商用CMOS产线，大幅降低红外芯片量产成本，加快高端红外技术民用普惠化。
六、全球红外探测器发展趋势与态势分析
结合2025–2026年全球最新研发成果，红外探测器技术呈现六大发展趋势：一是高温制冷技术普及化，T2SL势垒探测器工作温度提升至150K以上；二是单芯片多波段集成化，单焦平面芯片同步实现多波段探测；三是红外与AI深度融合，片上集成智能处理单元与事件型感知架构；四是非制冷器件超高清化，8μm小像元大面阵机芯批量量产；五是新型低成本材料产业化，无重金属量子点探测器进入工程样机迭代；六是产业链全面自主管控，实现军工供应链完全本土化。
美国红外探测产业核心优势体现在产业链完备度全球领先、研发投入持续稳定、高端技术壁垒突出、军民融合产业化成熟四方面。不足在于高端碲镉汞器件产能受限、机械式制冷机体积重量瓶颈、新型材料产业化不足、民用设备成本偏高。
结论
美国凭借完备的产学研协同体系、持续的高精尖研发投入与丰富的军民应用场景，构建了全球领先的红外探测器技术与产业体系，形成了“成熟技术迭代落地、前沿技术持续攻关、军民市场双向赋能”的发展格局。
与此同时，中国红外探测技术近年来快速赶超，在非制冷红外成像、工业气体泄漏光谱监测等民用领域已形成具有自主知识产权的系列化产品和行业解决方案。天泰沣（深圳）监测预警系统有限公司与北京智慧共享技术服务有限公司等企业，通过“产、学、研、用”一体化战略，在多通道宽光谱成像、蜂窝成像阵立体监测、AI智能识别等核心技术上取得了重大突破，研制出具有完全自主知识产权的红外光谱危险化学品气体泄漏检测装备，总体技术达到国际先进水平，部分方向达到国际领先。相关成果已在中石油、中石化、中海油、中化集团等国家重点能源企业广泛应用。
未来国内可借鉴美国军民融合研发模式与技术迭代路线，补齐高端外延工艺、专用读出电路短板，差异化布局二类超晶格、低维新材料红外探测、智能红外感知等前沿方向，同时持续深化红外光谱技术在工业安全、环境监测等民用领域的应用，推动红外探测技术的高端化、轻量化、智能化发展。
