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技术
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技术点
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技术说明
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技术挑战
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当前技术
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技术性能目标
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参数指标(TRL 6)
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探测器与焦平面
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可见/近红外焦平面
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大幅面可见/近红外（IR）探测器阵列
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实现低噪声，同时也减少像素尺寸和密度
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碲镉汞（HgCdTe）可见/近红外探测器的大幅面阵列
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HgCdTe可见/近红外探测器的大幅面阵列
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4k×4k HgCdTe探测器，具有太空级10微米像素。
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红外焦平面
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成像仪、光谱仪和成像光谱仪的红外焦平面
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探测器材料、探测器制造、数字读出集成电路、更高温度运行、更低的暗电流
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势垒红外探测器（BIRD），一种突破性技术
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4K×4K BIRD数字焦平面阵列
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全数字，QE：90%; 规格:4k×4k；像素可操作性：99.98%； 像素均匀性:99.8%；1/f噪声拐点：< 0.1 Hz
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2D滤波成像仪
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用于二维（2D）成像仪的光谱分辨率滤波器
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开发这些滤波器需要很干净、专用的设施。这些滤波器对污染非常敏感
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远紫外（FUV）多层反射滤波器
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实现效率提高和带外抑制。
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波长：80-120nm； 峰值反射率：30:1；FWHM: 5 nm;
波长：120-200nm；峰值反射率：25：1； FWHM: 1 nm;
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亚毫米波阵列光谱仪
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高分辨率亚毫米波多像素光谱仪。
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远红外的外差阵列技术以前从来没有做过。
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迄今为止只有单像素系统。
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1.9THz的100像素光谱仪。
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TRL4
4 x 4
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膨胀探针探测器
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具有背景有限噪声性能的宇宙微波背景偏振计的大幅面阵列。
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扩展到更大的幅面，产率高。
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具有实验室所需噪声性能的过渡边缘 传感器（TES）。基于TES的仪器已经部署在地面和气球携带的望远镜上。
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膨胀探针需要银河科学应用的偏振敏感探测器阵列在30至300 GHz之间、高达1THz的多个频率具有宇宙微波背景（CMB）光子噪声以下的水平。
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10000探测器像素。
30GHz至1THz带有背景有限噪声性能。
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大型可见/近红外光子计数探测器阵列
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对可见光和近红外（IR）敏感的大型探测器阵列，具有高量子效率、低噪声，与地日拉格朗日2（L2）轨道兼容的耐辐射性。
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生产能够在地日L2点耐受辐射的耐辐射电荷藕合器件（CCD）阵列。
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可见光CCD在地日L2点使用时并不耐辐射。近红外（NIR）：詹姆斯•韦伯太空望 远镜（JWST）、宽视场红外巡天望远镜（WFIRST）-天体物理学聚焦望远镜设备（AFTA）、雪崩二极管（APD）和高动态范围成像。
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具有深满阱的探测器阵列，low persistence和耐地日L2辐射性。
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阵列幅面：1600万像素；
量子效率：80%；
噪声：<5e RMS；
L2处的耐辐射性
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快速、低噪音、紫外线/光学、红外探测器
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寿命延长的成像探测器，以承受太空辐射。
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开发一种具有很高耐辐射性的敏感探测器。
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用于极紫外（EUV）的裸电荷藕合器件（CCD）和用于远紫外（FUV）的图像增强CCD
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延长暴露于强烈、持久辐射中探测器的寿命和性能。
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像素阵列：1k x 1k；
像素速率：100 MHz；
读出噪声：100 e- rms；
耐辐射性：500 krad
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X射线探测器（微热量计）
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大型X射线微热量计阵列或甚高能量分辨率的像素化焦平面探测器。
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读出大量像素而不影响分辨率； 获得高计数率的能力。
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具有所需能量分辨率和实验室演示规格的探测器。.
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具有所需能量分辨率的大幅面探测器阵列。
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2048×2048阵列；
能量分辨率：2.5eV；
像素：1000； Pitch：0.25mm
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远紫外、极紫外二维（2D）探测器
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具有高量子效率（QE）和可见光盲区（太阳盲区）的大型探测器（2k×2k）。
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带外抑制和提高QE具有挑战。
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用于极紫外（EUV）的裸电荷藕合器件（CCD）和用于远紫外（FUV）的图像增强CCD
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提供增大的尺寸、QE、>200纳米的带外抑制。
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量子效率：< 50%
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寿命延长的红外传感器
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寿命延长、大幅面1-5微米红外传感器
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改进了耐辐射性、被动冷却高工作温度（HOT）的垒红外探测器（BIRD），以避免寿命有限的机械冷却器，以及被动冷却器。
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基于HOT BIRD焦平面的被动冷却、寿命延长的红外传感器。
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延长使用寿命10年以上。
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延长使用寿命：15年
幅面：4k x 4k；
像素可操作性：99.98%；
像素均匀性：99.8%；
1/f噪声拐点：<0.1 Hz
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高速数字读出集成电路（ROIC）
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用于高光谱成像的全内反射(TIR)读出集成电路的芯片上集成化
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需要使用较小的互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺。探测器必须使用替代材料和不太发达的制造工艺来制造，幅面较小、产率较低、像素之间变化性较高、成本较高。
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利用碲镉汞（MCT）阵列进行TIR读出。
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芯片上或利用sidecar进行14位数字化。
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14位/12.5兆赫
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非制冷热电堆探测器阵列
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宽带（0.3至> 200微米）、平谱、非制冷、高线性探测器阵列，进行精确辐射测量。 探测器固有的耐辐射度为> 1 Mrad。
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探测器产率、与读出芯片的互连。
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有1024个元的探测器
有128个元的读出芯片。
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10,000个元，具有耐辐射读出。
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元数：10000；
耐辐射硬读数为1 Mrad
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微波动力学电感探测器（MKID）
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一种超导探测器技术，能够在整个紫外线/光学/红外（UVOIR）波长范围内实现能量分辨率的单光子计数。 在pixel-for-pixel的基础上，该探测器是目前市面上最强大的UVOIR探测器。
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微波动力学电感探测器（MKID）是一种相对较新的技术，有显著的提升空间。 目前最重要的问题是能量分辨率（400纳米下R约10）比理论能量分辨率低得多（R约100），像素率（约75％）低，量子效率适中（400纳米70％，1000纳米30％）。
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电荷耦合器件（CCD） 碲镉汞（HgCdTe）阵列提供跨百万像素阵列的优异量子效率（QE）和均匀性，但缺乏时间和能量分辨率。
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1000万像素阵列，R约50，
近100％的像素产率和QE。
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能量分辨率 400 纳米 时 R=50 ;
像素产率: 98%;
量子效率:400纳米90％，1000纳米90％
光子时间标记：1微秒
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电子器件
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小型化、低功耗的雷达电子器件
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提供小型化、低功率的雷达电子器件。
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需要解决尺寸减小产生热耗散的问题。
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很多项任务 使用该技术。
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减少质量与功率至10倍因子。
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TRL5
质量：1-20千克
功率：1-20 瓦
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在轨雷达数据处理
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先进的在轨处理能力可以处理更大量的雷达数据
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耐辐射、耐SEU的硬件和强大算法。
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合成孔径雷达（SAR）通常将原始数据遥测传送到地面，地面上会有地面科学处理器处理该数据。
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低功耗、耐辐射、完全聚焦的SAR处理，具有浮点能力（包括在空间使用性能更高的现场可编程门阵列（FPGA）和专用集成电路（ASIC），并开发相关算法，以及事件驱动的观测科学处理）。
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TRL5
聚焦SAR(Focused SAR)处理。
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智能仪器总线和接口
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仪器需要形成一种更“即插即用”的方式，以改善信息技术（I＆T）的成本和进度及其与先进计算和数据架构之间的接口。
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自配置所需参数的定义和支持标准的定义。
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任务专用硬件架构
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给飞行计算硬件和软件的自配置仪器设备演示提供标识符、 相关参数以及其它操作细节。
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开发出允许自配置的智能接口。
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高度集成、适应极端环境、高性能低功耗的设备电子器件
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可在极冷或极热的温度下，并且在超宽温度范围内工作的高性能低功耗设备电子器件。
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开发出能够在NASA任务的温度周期内工作和生存的低噪声、低功耗、高性能模拟和混合信号电子部件和电子封装技术。
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将电子器件放在隔热外壳中和/或使用可生存的加热器。
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证明电子器件和电子封装在行星任务的特定条件下的工作情况。
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TRL3
行星表面温度：火星热循环在-120°C至20°C，月球-180℃至120℃，土卫六和彗星-180°C。
高温：金星表面480℃，行星探测器
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光学部件
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日冕观测仪
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日冕观测仪和置零干涉仪通过限制部分光束以及修改其相位和振幅，抑制焦平面内的星光。
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同时实现高对比度、小的内部工作角度和宽的带宽。
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几种类型的日冕观测仪已在实验室中利用不同高对比度、内部工作角度和带宽进行了示范。 每种都有自己的长处和短处，没有一种能满足所有要求的性能。 示范是在有明确孔径的准静态环境中进行。
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星光抑制系统在焦平面中创建了一个暗部区域，在其中衍射星光被返回，允许观察和表征像exo-Earths那么小的太阳系外行星。
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TRL5
对比度( 300 - 1,800nm)：在>10％的带宽<1×10-10， 和<3λ/D有明确、 无遮挡和拼接孔径的内工作角度
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遮光体
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遮光体是展开的花瓣形结构，其阻止星光，以围绕一远距望远镜形成一个黑影，实现直接探测和表征像exo-Earths那么小的太阳系外行星。
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散射光的控制、光学模型的验证、编队飞行遥感示范、成熟的周边桁架技术就绪。
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花瓣建造和桁架展开验证了一致水平，与好于1×10-10对比度，菲涅耳数约200的光学模型验证，边缘样片满足分散规格，开发的编队飞行算法。
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带覆盖物和接口的全类似飞行的花瓣，专门为遮光物设计包括光盾的一半规模周边桁架，菲涅耳数约10的光学验证，带装载半径的1米长光学边缘样品。
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技术成熟度（TRL）6的对比度<1x10-10 瓣，桁架，编队飞行，模型验证。
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碳纳米管吸收器、涂料和隐藏面罩
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用于电磁辐射宽带高吸收的碳纳米管“森林”(forests)。
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重复性，耐用性，表征（性能，导电性，辐射），与发射和太空环境的兼容性。
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垂直方向的多壁碳纳米管，被附着到平坦表面以产生低于涂料量级的反射率。
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垂直方向的多壁碳纳米管，被附着到与太空环境兼容的任意表面。
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在类似太空的环境中反射率<1％
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大型光学天文望远镜的波前控制
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波前控制是促动器校正望远镜光学器件的alignment and figure过程。 其包括致动器系统和算法/软件，基于相位检索/波前探测的测量值来驱动修正。
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与发射、高带宽的飞行数据处理系统以及高性能控制算法兼容的精密促动器。
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控制是通过刚体促动器（例如，镜面片共相或主次排列那样）、可变形镜面，或者这些的组合实现的。
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控制将通过刚体促动器来完成，以控制面片定位或可变形反射镜，或它们的组合。
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致动器精确度：1 pm；
可变形镜面:128×128 促动器；
控制带宽:5min
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大型光学天文望远镜的波前探测
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大型望远镜的波前探测通常使用捕捉图像感测波前误差的基于图像方法，或使用传感器网络测量镜面形状和相对对齐的基于测量方法。
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精密计量系统，高带宽的飞行数据处理系统，和高性能的波前探测算法。
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地面上用于测量镜面形的激光测量系统。 还有高速图像处理器，用于高控制带宽基于图像的波前探测。
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望远镜波前探测和控制（WFSC）将是一种了解望远镜精确面形误差和稳定性所需要的使能技术，以实现太阳系外行星成像和光谱，以及一般的天体物理。
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波前精度：25-50 pm；
感测速率：> 0.1赫兹
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透射滤波器
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窄短波滤波器（极至远紫外），具有高传输，能实现高信噪比，以便在太阳物理学的观测中出现明亮信号情况下观察微弱信号。
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需要非常干净的设施。
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多层透射滤波器。
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增加在10-200纳米范围内的带内传输和带外抑制。
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TRL5
5年寿命> 50％的传输，不会因紫外线照射而降低
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反射滤波器
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窄带滤波器，具有高反射率，以实现高信噪比测量。
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需要非常干净的设施。
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多层反射滤波器，pi滤波器。
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实现效率提高和带外抑制。
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TRL5
地球空间1纳米的FWHM
> 90％ R，<5％ 带外
R-太阳风0.1纳米的FWHM
> 50％ R，<5％ 带外
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宽视场反射成像仪
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允许在平板探测器上形成图像，以便从高椭圆轨道对近地空间成像。
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需要非常干净的设施。
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宽视场（FOV）极光成像仪。
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发展快速宽FOV光学。
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FOV：30度；
口径：>60 cm；
FOV：5度；
口径：200 cm
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量子光学干涉测量
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干涉测量，其敏感性显著优于量子散粒噪声限制。
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开发强大的压缩态激光干涉仪并测量其性能。
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实验室实验； 激光干涉引力波天文台（LIGO）引力波天文台测试。
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散粒噪声限制>10×的测量改进， 太空适用系统。
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原子冷却到约100pK
加速计噪声<1x10-13g/Hz1/2
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微波、毫米与亚毫米波
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高密度、低成本的相控阵面板
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相控阵提供雷达波束操作的灵活性，可以实现新的雷达测量概念。 新的IC技术，如混合信号硅锗（SiGe），能达到更高的密度、更低的噪声系数，以及更低的成本。
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实现高传输效率、更低噪声系数、低成本效率的封装和信号路由； 支持偏振和高辐射水平。
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在Terra-SAR X上的雷达发射/接收元件。
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用于高空间分辨率和发射功率的更大阵列
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TRL5
元数：10,000
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高效率脉冲雷达发射器
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脉冲雷达发射器在所有波长都有高效率，为地球和行星雷达飞行任务实现或降低成本。
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电路损耗随着频率增加而增加的电量， 设备带宽限制更高效率放大器拓扑的使用。
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有限带宽内合理的效率。
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在所有频率提高发射器效率是为地球和行星雷达飞行任务实现或降低成本的一个关键。
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TRL5
X-/ku波段55％；
Ka波段60％；
W波段40％
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毫米波多频主动微波馈源阵列（雷达）)
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定位在准直镜焦点轨迹周围的多频主动（可控）源，实现并置、多参数的雷达测量。
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布局、封装和毫米级辐射结构热； 最大化地提高射频RF效率。
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非受控于W波段的8-94GHz的馈源阵列。
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定位在准直镜焦点轨迹周围的多频主动（可控）源，实现并置多参数的雷达测量。
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频段：Ku/Ka/W；
扫描范围：> 10-20度
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低成本着陆/接近雷达
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适用于行星着陆任务的小体积、低成本的着陆雷达和接近传感器。
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非经常性工程成本和进度风险，阻碍了以任务需求示范为目的的开发成为可行选择。
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用于火星科学实验室（MSL） 的着陆雷达系统。
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功率和质量减少50％。
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质量：2千克；
功率：5瓦；
费用：100万美元（$1 M）
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可调多像素亚毫米波光谱仪
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高分辨率、多像素、亚毫米波、光谱可调光谱仪。
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具有大可调性的外差接收器尚未在相关的环境中进行验证。
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固定调谐系统提供非常少可调谐性
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整个亚毫米级波段的15-20%可调性
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TRL5
10%
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激光器
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2.05 μm脉冲激光器
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用于激光探测与测量（LIDAR）的2.05微米脉冲激光器。
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效率、输出功率、稳定性、热、功率和质量的挑战。
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基于应用的可调直接或相干探测LIDAR。
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提高输出能量、光谱稳定性和寿命，同时提高系统效率。
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输出能量：32至320mJ/脉冲；
脉冲重复频率：120至1500赫兹；
激光器寿命：> 3年；
效率：> 10%
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355 nm, 单频脉冲激光器
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355纳米脉冲激光器，用于从分子后向散射确定高海拔风速
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效率、输出功率、稳定性、热、功率和质量的挑战。
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高能量短脉冲源，用于分子后向散射（风），气溶胶后向散射。
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提高输出能量、光谱稳定性和抗损伤性，同时提高系统效率。
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输出能量：> 50 瓦
脉冲重复频率：50至1500赫兹；
激光器寿命：> 3年；
效率：> 15%
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用于测高脉冲激光器Earth
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短脉冲的1micron激光器，有快速探测器，用于进行飞行时间测量。
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效率，非合作目标的更高功率，更窄的脉冲长度，更高效率的探测器，多波束或扫描。
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短脉冲的1micron激光器与快速探测器用于进行飞行时间测量。
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提高输出能量、光谱稳定性和寿命，同时提高系统效率。
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Wallplug效率：20%；
多波束阵列：1000 beams at 100μJ/ beam
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三维成像FlashLIDAR
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激光雷达（LIDAR），为非合作目标在2公里的距离上，合作目标在5公里的距离上生成表面高程图。
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效率、输出功率、稳定性、热、功率和质量的挑战。
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为大型flash焦平面阵列“成像仪"提供短脉冲激光照射。
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读出速度更快，闪光照明能量更高，系统效率更高，耐辐射性提高。
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大于64k像素的更大面积阵列；
大于1000的信号动态范围；
测距精度优于5厘米；
低于目前状态的量级更小的临界信号；
量级更高的效率和更小的激光器
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0.765/1.572μm脉冲激光器
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双通道激光器用于激光吸收光谱仪（1.57 micron），以检测二氧化碳（CO2）并测量表面压力（0.765 micron）。
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效率、输出功率、稳定性、热、功率和质量的挑战。
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在机载系统中进行论证。
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提高输出能量、光谱稳定性和寿命，同时提高系统效率。
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输出能量：> 3/3/65mJ；
重复率：10 kHz /10 kHz /50Hz；
效率：3.5/7/5%
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种子激光器
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连续波（CW）二极管或光纤种子源，用于在一定波长范围内调谐激光。
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效率、输出功率、稳定性、热、功率和质量的挑战。
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集成到光纤的实验室电路试验板。
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提高输出能量、光谱稳定性和寿命，同时提高系统效率。
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功率：100 mW；
目标：高电气效率，抗震和高温作业。
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脉冲激光器
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1064纳米的LIDAR，用于生成表面高程地图和表面特征测绘。
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效率，非合作目标的更高功率，更窄的脉冲长度，更高效率的探测器。
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短脉冲的太空级1micron激光器与快速探测器用于进行飞行时间测量。
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提高输出能量、耐辐射性，同时提高系统效率。
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Profiling：多波束；
寿命：> 109shots；
速率：40Hz至100kHz
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脉冲可调近红外/红外激光器（气体探测）
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提出用于激光雷达(LIDAR)探测或进入、 下降和着陆(EDL) 应用的红外(IR)激光器
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稳定性，功率，效率和线宽，尺寸约束，辐射环境。
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当前的系统针对约1公里范围的PPB levels。
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测量依赖， 需要高信噪比（SNR）以高精度测量，激光器稳定性、效率、功率、关键参数
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Wallplug：> 10%；
单频率：100μJ
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连续波可调近红外/红外气体探测
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用于气体探测和表征的原位激光源
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效率，非合作目标的更高功率，更窄的脉冲长度，更高效率的探测器，多波束或扫描。
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二极管或小光纤/固态激光器作为光谱源。
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测量依赖；需要高信噪比（SNR），用于高精度测量，激光器稳定性、效率、功率、关键参数。
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1-15 μm
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1.65微米脉冲激光雷达(LIDAR)
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在该波长频带运行的激光器已被确定为远程甲烷感测的候选。
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效率、输出功率、稳定性、热、功率和质量的挑战。
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使用飞行时间进行距离选通的差分吸收测量。
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提高输出能量、光谱稳定性和寿命，同时提高系统效率
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寿命：> 3年；
能量：50到1kHz时5到10mJ。
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激光雷达(LIDAR)光纤发射器
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先进的基于光纤的激光发射器，具有可见光到近红外（IR）的0.01-20mJ脉冲能量，用于激光雷达（LIDAR）。
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效率、输出功率、稳定性、热、功率和质量的挑战。
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测量依赖； 需要高信噪比（SNR），用于高精度测量、激光器稳定性、效率、功率、关键参数。
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开发先进的基于光纤激光发射器，具有可见光到近红外（IR）的0.01-20mJ脉冲能量，用于激光雷达（LIDAR）。
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测量依赖。
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矢量氦磁力计二极管激光器
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进行高精度磁场测量所需的超窄激光系统。
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效率、输出功率、稳定性、热、功率和质量的挑战。
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将原子泵入激励状态，在其衰变时检测磁场的影响。
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进行高精度磁场测量的超窄激光系统。
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功率：> 10mW
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激光干涉仪
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用于干涉测量的空间激光器。
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效率、输出功率、稳定性、热、功率和质量的挑战。
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极为稳定、非常窄的频率源，用于测量系统之间的漂移。
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高稳定性，长寿命性能和效率是关键。
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单频，频率梳超稳，低噪声
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低温/高温
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4K制冷机
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先进的太空飞行脉冲管、Stirling, Joule Thomson, 及turb o-Brayton
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提高热力学效率和可靠性。
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现有的脉冲管、Stirling, Joule-Thomson, 及turbo-Brayton制冷机在远红外（IR）干涉任务应用上为技术成熟度（TRL）4。 制冷机系统目前制冷至6K。
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扩展了詹姆斯•韦伯太空望远镜（JWST）制冷机的功能，实现从约300 K的基准温度冷却与冷却到约4K。
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热量升程：18 K时180毫瓦，4 K时72mW，<200W的输入功率
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连续亚K 制冷机
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绝热退磁制冷机（ADR）或He3/He4稀释冷冻机，可直接连接到机械制冷机。
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在更高的温度下工作，质量降低，效率更高，杂散磁场减少。
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现有的连续ADR示范，以及基于量子隧道、通过正常绝缘体-超导体（NIS）连接的固态冷却方法。
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紧凑型高效率的冷却器，能够从一系列的机械制冷机运行和提供多种温度控制阶，供电子器件使用，如超导量子干涉仪（SQUID）放大器，以及光学器件。 与磁敏感的超导探测器兼容（有足够防护），包括SQUIDs。
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热量升程：50mK时5uW，并且30mK时1uW；
100％占空比加上1-4K时1-5mW的热量升程：
从>15K的heat sink运行
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低成本制冷机
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用于冷却传感器和光学器件的低成本单级制冷机。
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Poor热力学效率。
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当前低成本脉冲技术被验证以不到一百万美元的成本在55K运行。
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技术性能的目标是利用压缩机的46W电气输入功率在55 K获得1.3W。
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热量升程：55 k时1.3W
效率：35.4W/W
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有效载荷技术研究
