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传统的高光谱成像遥感一般指覆盖0.4~2.5 μm的高光谱成像仪,传感器接收的能量主要是地表反射的太阳辐射。红外高光谱则通常覆盖3.0~12.5 μm谱段的高光谱成像仪。不同于0.4~2.5 μm谱段的高光谱成像仪围绕精细分光组件和高性能面阵探测器的发展而开展,红外高光谱成像仪的发展则重点关注如何抑制红外背景辐射。从成像仪的组成来说,抑制红外辐射的低温制冷模块和红外分光模块占据了主要空间和质量。表1和图1分别列出了国内外典型的红外高光谱成像仪的技术指标及照片。
Instrument Year/
CountrySpectral range/
μmSpectral
resolutionBands IFOV/
mradFOV/
(°)Senstivity Spectral-
splittingBackground
radiation suppressionSEBASS 1995/USA MWIR:2.0-5.2
LWIR:7.8-13.5MWIR:25 nm
LWIR:50 nmMWIR:128
LWIR:1281.0 7.3 MWIR:0.008 W·μm−1·m−2·sr−1
LWIR:0.012 W·μm−1·m−2·sr−1Spherical prism/conical mirror Liquid helium refrigeration AHI 1998/USA 7.5-11.5 125 nm/100 nm 32/256 1.8 13.0 <0.1 K Flat grating Cooled linear variable filter/The upgraded version with liquid nitrogen refrigeration LWHIS 2003/USA 8-12.5 35 nm 256/128 0.9 6.5 0.035 K Flat grating Cool the whole system with liquid nitrogen refrigeration Hyper-Cam 2009/Canada MWIR:3-5
LWIR:8-11.8<0.25 cm−1 256 0.35 6.4×5.1 MWIR:4 nW/cm2·sr·cm−1
LWIR:20 nW/cm2·sr·cm−1Fourier transform spectrometer No refrigeration MAKO 2010/USA 7.8-13.4 47 nm 128 2 14.7 0.05 K Concave grating Cool the spectrometer with liquid helium MAGI 2011/USA 7.1-12.7 100 nm 32 0.53 ±42 — Concave grating Cool the spectrometer with a refrigerator Sieleters 2011/France MWIR:3-5.3
LWIR:8-11.5MWIR:11 cm−1
LWIR:5 cm−1— 0.25 — — Fourier transform spectrometer Cool the spectrometer with liquid nitrogen AISA-OWL Finland 7.7-12.3 100 nm 84 0.084 32.3 0.2 K Prism-Grating-Prism Filter suppresses background radiation HyTES 2016/USA 7.5-12.0 18 nm 256 1.7 50 0.2 K Concave grating Cool the spectrometer with a refrigerator MAKO Updated 2016/USA 7.8-13.4 44 nm 128 2 ±56.4 6 mW/(m2·sr·μm) Concave grating Cool the spectrometer with liquid nitrogen ATHIS 2016/China 8-12.5 38 nm 155 1 40 0.17 K Flat grating Cool the spectrometer with a refrigerator SIHIS 2020/China MWIR:3-5
LWIR:8-12.5MWIR:30 nm
LWIR:50 nmMWIR:167
LWIR:1631 14 MWIR:0.05 K
LWIR:0.15 KFlat grating Cool the spectrometer with a refrigerator -
在高光谱成像仪传感器的发展史上,早期的仪器主要集中于欧美国家。1986年,美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)下属的喷气动力实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)成功研制经典仪器机载可见光近红外成像光谱(Air-borne Visible Infra-Red Imaging Spectrometer,AVIRIS),相比传统多光谱的遥感,AVIRIS在光谱解析方面表现出了巨大优势,推动了遥感定量化的发展。随着实际应用的深入,地质勘查科学家们也逐渐意识到仅依靠0.4~2.5 μm的反射光谱在解析全部地表矿物种类方面仍有提升空间,红外高光谱成像仪便应运而生。
(1) SEBASS[2]
增强型宽谱段阵列光谱仪(Spatially Enhanced Broadband Array Spectrograph System, SEBASS)是国外最早公开报道的红外高光谱成像仪,由美国宇航公司(Aerospace Corporation)研制成功[5]。该红外高光谱成像仪于1995年首次开展了航空遥感实验,SEBASS光谱分辨率为46 nm,在7.6~13.5 μm范围内共128个波段。它采用棱镜分光,设计了一套全光路制冷的低温光学系统,系统整体用液氦制冷到10 K,以此来降低光机背景辐射的影响,提高仪器的整体性能。
(2) AHI[8]
美国夏威夷大学(University of Hawaii)于1998年研制了机载红外高光谱成像仪(Airborne Infrared Hyperspectral Imager, AHI)[6]。为了抑制仪器背景辐射,AHI在探测器前面放置了线性可变滤波器,用于降低进入探测器的仪器背景辐射,并对线性可变滤波器进行制冷。AHI采用平面光栅分光,并用液氮制冷光学部件,采用斯特林制冷对探测器制冷。整机灵敏度达到了0.1 K以下,取得了良好的成像性能。
(3) LWHIS[9]
长波高光谱成像仪(Long-wave Hyperspectral Imaging spectrometer, LWHIS)由美国诺格(Northrop Grumman)公司于2003年研制[7]。为了抑制仪器自身背景辐射,LWHIS将光机系统制冷到100 K以下,灵敏度可达0.035 K。LWHIS采用平面光栅分光,光谱辨率为35 nm,为提高信噪比可将256波合成为128波段。LWHIS还装配有实时定标器,定标器的绝对辐射定标精度优于6%。
(4) Hyper-Cam[10]
Hyper-Cam是由加大拿Telops公司推出的一款商用傅里叶变换热红外高光谱成像仪,Hyper-Cam具有两个型号,为Hyper-Cam MW(3~5 μm)和Hyper-Cam LW(7.7~11.8 μm),最新型号长波红外成像光谱仪HYPER-CAM XLW光谱范围为7.35~13.5 μm。
(5) MAKO[11]
MAKO是在SEBASS的基础上,美国宇航公司研制的又一款高性能红外高光谱成像仪,于2010年研制成功。MAKO的光谱范围为7.8~13.4 μm,波段数为128个。MAKO采用凹面光栅分光,光谱仪部分为制冷Dyson光谱仪。该仪器设计了一套液氦制冷系统用于抑制光机仪器的背景辐射,光谱仪整体制冷到10 K左右,整机灵敏度可达0.05 K。
(6) MAGI[12]
矿物与气体识别仪(Mineral and Gas Identifier,MAGI)为美国宇航公司为适应星载红外高光谱成像仪需求于2011年研制的原型样机。MAGI实际上为MAKO的简化版,它只有32个波段,光谱分辨率为100 nm,总视场角比MAKO提升了很多,从14.7°提升至±42°。制冷方式由液氦制冷系统改为用斯特林制冷器对探测器和光谱仪制冷。
(7) Sieleters[13]
Sieleters是2011年法国国防采购局委托法国国家航天局Onera实验室研制的包括中波(3~5.3 μm)和长波(8~11.5 μm)的红外成像光谱仪。Sieleters使用傅里叶变换方式,采用液氮制冷,光谱分辨率在中波红外谱段,优于13 cm−1,在长波红外谱段优于6 cm−1。在具体的应用方面关于该仪器的报道不多。
(8) AISA OWL
AISA OWL是芬兰Specim公司推出的一款商用红外高光谱成像仪,在 7.7~12.5 μm光谱范围内有96个波段,光谱分辨率达到100 nm。AISA OWL采用制冷型的碲镉汞阵列探测器,背景辐射抑制是通过专门的滤光片实现,并在芯片上增加了背景监视校正功能。AISA OWL的另一个特点是质量轻,仅有13.1 kg。这也是为了适应机载需求而使用滤光片抑制背景辐射的结果。为适应无人机遥感的需求,Specim公司在AISA OWL基础上又推出了轻量版的基于非制冷探测器的热红外高光谱成像仪LWIR HS。其质量为3.1 kg,可搭载于普通无人机上,光谱采样间隔100 nm,光谱分辨率为400 nm,共有44波段。LWIR HS虽然质量较小,但是器灵敏度下降较大,仅为1 K。
(9) HyTES[14]
高光谱热辐射光谱仪(Hyperspectral Thermal Emission Spectrometer,HyTES)是美国JPL实验室于2016年研制成功的经典仪器,该仪器采用了光谱仪制冷(含狭缝和探测器)的背景抑制方案,制冷温度在40 K附近,望远镜则设计为常温。这种方案的优势在于可以将需要制冷的光谱仪设计得非常精巧,从而降低仪器的体积和复杂度。HyTES采用了先进的量子阱探测器,在响应的非均匀性方面性能优异。HyTES几乎代表了红外光电传感器研制的最高水平,其技术难度甚至超过了同期的大部分空间光电系统,在应用方面HyTES取得了较大成绩,特别是在工业污染气体排放领域展现了独特优势。HyTES也是支持美国红外高光谱成像仪计划(Hyperspectral Infrared Imager,HyspIRI)的机载试验样机。
(10) MAKO 2016[15]
2016年,美国宇航公司对MAKO从电子学、光学和焦平面热控三方面进行了升级改造。改造后的电子学系统帧频可达3255 Hz,更换了凹面衍射光栅的镀膜,提高了在热红外短波区的光学响应效率,采用了新的PID FPA热控循环,使温控误差达到1 mK。通过摆扫机构的优化设计,MAKO升级版可实现±56.4°的观测视场,能够提高数据获取效率。
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我国红外高光谱遥感的发展要晚于欧美国家。从“十五”计划开始,国家科技部开始支持热红外高光谱成像技术研究。“十二五”期间,在科技部的支持下,中国科学院上海技术物理研究所研制了我国第一台热红外高光谱成像仪样机[18]。在“高分”专项航空全谱段多模态成像光谱仪项目的支持下,项目组进一步完善了热红外高光谱成像样机的工程化水平,形成了机载热红外高光谱成像系统(Airborne Thermal-Infrared Hyper-spectral Imaging System,ATHIS)[16-17, 19]。在原有技术体系基础上,2020年,项目组成功研制了空间高分辨红外高光谱成像仪(Space-borne Infrared Hyper-spectral Imaging System,SIHIS)的研制,SIHIS覆盖了包括中波(3~5 μm)和长波(8~12.5 μm)的红外区主要大气窗口。
ATHIS前身为2015年研制的原理样机,2015年6月成功实现航空成像[20]。于2016年研制成功,并在海南省东方市、河北雄安新区、浙江省东阳市横店镇等多个区域开展了航空遥感应用实验。ATHIS仪器设计为三台指标相同的热红外高光谱相机以视场外拼接方式实现40°观测视场,其单台相机的光学视场在14°左右。在分光技术路线的选择上采用了平面闪耀光栅分光,为了减小光谱仪体积,设计为RT光谱仪结构。三台同样设计的RT光谱仪共同放置在一个低温100 K制冷的冷箱内。ATHIS设计有机上定标装置,用于飞行过程中的仪器的辐射定标。ATHIS采用探测器/光谱仪斯特林制冷方案,波段平均灵敏度为0.17 K。
(2)空间高分辨红外高光谱成像仪SIHIS
SIHIS在光学设计、结构设计、背景抑制方案和探测器上均与ATHIS保持一致,主要是采用了大口径离轴三反式望远镜,结合视场拼接技术实现了空间分辨率30 m@708 km,观测幅宽60 km的综合指标。AIHIS将谱段覆盖拓展到了中波红外谱段,共包括328个成像波段。在中波谱段,光谱分辨率设计达到30 nm,光谱采样间隔为14 nm,灵敏度实测平均达到0.05 K;在长波谱段,光谱分辨率设计达到50 nm,光谱采样间隔为29 nm,灵敏度实测平均达到0.15 K。SIHIS的总视场角为4.84°,未来有望开展空间演示验证。
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对于高光谱成像仪器而言,光谱分辨率、空间分辨率、辐射分辨率(也称灵敏度)集中体现了仪器在光谱、空间、辐射三方面的性能,这三个技术指标直接决定了高光谱仪器的最终应用效果。对传感器的系统设计而言,也往往是结合具体的应用场景对这三个指标的综合权衡过程。
从光谱分辨率来看,已有的大部分红外高光谱成像仪光谱分辨率均在50 nm附近,该指标在地矿领域可以满足矿物精确解析的需求。当需要开展气体探测时,光谱分辨率一般要优于20 nm,并且光谱绝对精度要优于1 nm。
从空间分辨率来看,机载设备的空间分辨率一般在毫弧度级,星载仪器方面,太阳同步星载的空间分辨率一般在10~50 m分辨率量级。星载仪器的空间分辨率较高,一般需要较大口径的红外望远镜,这种情况下,只能采用光谱仪制冷的背景辐射抑制方案。和空间分辨率相关的另外一个指标是仪器观测视场,为了保证高作业效率(即幅宽),星载仪器都要求有较大的总视场角。从表1可以看出,针对这一问题,美国的星载样机MAGI设计有摆扫机构增大光学总视场角,SIHIS则是通过三个视场拼接的方式来增大总视场。
从辐射分辨率来看,对于光栅分光的仪器来说,采用液氮或液氦制冷的仪器辐射分辨率一般都优于0.1 K,采用斯特林制冷的仪器一般在0.1~0.2 K之间,采用傅里叶分光技术体制的仪器的辐射灵敏度一般都好于光栅分光体制的仪器。在成像波段方面,中波红外的辐射分辨率一般都优于长波波段。这也说明长波的红外高光谱成像仪研制难度更大,无论是当前流行的MCT探测器,还是新兴的量子阱探测器和二类超晶格探测器,背景辐射都是影响仪器辐射分辨率的主要原因。除了继续探索降低背景辐射的技术之外,超低暗电流的新型探测器发展是红外高光谱成像仪发展的驱动之一。
总体来说,目前已有的红外高光谱成像技术,其光谱分辨率和空间分辨率已基本能满足地矿领域的应用需求,但在光谱分辨率要求更高的气体探测领域仍然有较大应用需求驱动。在民用领域,目前发展的基于无人机平台的非制冷探测器型红外高光谱成像仪,辐射分辨率往往只能到1 K量级,在很多领域都难以应用。
综上所述,红外高光谱成像仪的发展应继续集中在突破红外精细分光、低暗电流高灵敏度探测器、低温光学与背景辐射抑制技术,研制出体积质量更小,光谱分辨率、空间分辨率、辐射分辨率更加优异的传感器。
Development of infrared hyperspectral remote sensing imaging and application of gas detection (invited)
doi: 10.3788/IRLA20210866
- Received Date: 2021-11-20
- Rev Recd Date: 2022-03-10
- Publish Date: 2022-08-05
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Key words:
- infrared hyperspectral remote sensing /
- spectral resolution /
- instantaneous field of view /
- sensitivity /
- gas detection
Abstract: Compared with the visible to short wave infrared spectrum, hyperspectral remote sensing imaging in the infrared spectrum has unique application advantages, especially in resource exploration, surface environment monitoring, atmospheric environment monitoring and military reconnaissance. Although the infrared hyperspectral imagers are mainly airborne at present, the domestic and foreign institutions have never given up promoting the spaceborne application of infrared hyperspectral remote sensing. Therefore, based on the detailed analysis of the design, implementation and specifications of the primary infrared hyperspectral imagers, this paper first summarizes the characteristics, existing problems and solutions of the current infrared hyperspectral imagers from the three key indexes of spectral resolution, spatial resolution and radiometric resolution. That is, breaking through the technologies of fine spectroscopy, high-sensitivity detectors, low-temperature optics and background radiation suppression are the main technical problems to be solved in the development of infrared hyperspectral imagers in the future. Based on the above, the application of infrared hyperspectral imaging in long distance gas detection is overviewed, and its unique advantages are also analysed. Finally, the development direction of infrared hyperspectral remote sensing imaging is depicted.