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紅外分光成像光譜儀:夜空鷹眼 無言獵犬
發布人:  發布時間:2020-03-05   瀏覽次數:

 

 

01

基本概念


      紅外成像光譜儀具有“圖譜合一”的特性,結合傳統光譜儀和光電成像技術的特點,可同時提供圖像二維空間信息和光譜信息,實現對目標場景的探測和深度分析,在農作物檢測、氣體檢測、食品檢測、垃圾分揀、國防研究、公共安全等領域均有廣泛的應用,滿足對現場分析的要求。

 


圖1. 紅外分光成像儀可提供圖像的二維信息和光譜信息

 

     按照分光原理,紅外成像光譜儀可分為濾光型、色散型和干涉型三種。 

 


圖2. 紅外成像光譜儀的三種類型

 

      濾光型成像光譜儀是將來自場景目標的光透過濾光片形成一定窄波段的光譜,再成像到焦平面探測器陣列上。這種成像光譜儀結構簡單、實現容易,光譜通道數一般較少。隨著聲光可調諧濾光片、液晶可調諧濾光片和漸變濾光片的成熟,濾光型成像光譜儀的光譜分辨率、體積重量、響應速度得到了較大改善,但仍存在光譜分辨率較低、波段受限等不足。

 

圖3. 濾光型成像光譜儀工作原理

 

     色散型紅外成像光譜儀利用特定的色散元件(也稱分光元件)將復色光分散,在探測器上得到每一個譜元的直接光譜強度。棱鏡分光利用棱鏡材料對不同波長的光產生的不同折射的原理;而光柵分光則利用光柵刻縫對光線的衍射和縫間的干涉原理。光柵分光的特點是結構簡單、光譜分辨率較高,但是其存在光通量較小、色散的非線性問題,且設備需要擺掃或推掃。

 

圖4. 色散型紅外成像光譜儀工作原理

 

     干涉光譜成像技術通過對干涉儀產生的干涉圖的測量,并進行傅里葉變換積分的方法來測定和研究光譜圖像。從原理上可以分為時間調制型和空間調制型。時間調制型是通過干涉儀中動鏡的運動產生不同的光程差,以時間積分的方式記錄所有不同光程差下對應的不同干涉級次的干涉圖信號,而探測器某一時刻上獲取的是所有目標在同一光程差處的強度圖像。空間調制型通過剪切分束器產生不同的光程差,并在沿一定空間方向的不同位置上產生同一目標的不同干涉級次的干涉圖,而在其垂直方向對應不同空間目標;在某一時刻上獲取的是相應不同目標在不同光程差處的干涉強度圖像。

 

      時間調制干涉紅外成像光譜儀的光譜分辨率極高,光通量大、雜散光低,光譜范圍寬,可凝視成像,但是其結構復雜,技術難度大,內部有運動部件。

 

圖5. 干涉型紅外成像光譜儀工作原理

 

      空間調制干涉紅外成像光譜儀的光譜分辨率較高,光譜范圍寬,內部無運動部件,但是其需要擺掃或推掃,光通量和光譜分辨率比時間調制型較低。

 

圖6. 空間調制干涉型紅外成像光譜儀工作原理

 

 

02

發展趨勢


    目前紅外成像光譜設備有如下的發展趨勢:

 

  • 小型化:當前高性能紅外成像光譜儀還普遍存在結構復雜、體積重量較大的問題,限制了其產業化發展。隨著微光機電和小型化集成設計技術的發展,便攜式、高性能的紅外成像光譜儀成為可能,也得到了研究人員和市場的關注。

 

  • 高分辨率:更豐富的信息是成像和探測技術追求的目標,這包括光譜分辨率、空間分辨率。而在實際應用中,往往需要平衡空間分辨率和光譜分辨率。因此,如何針對不同應用獲取盡可能多的數據一直是技術難點,是成像光譜技術永不停歇的改進方向。

 

  • 更好的實時性:在商業化產品應用中,紅外成像光譜儀的成像速度也是非常重要的因素。由于光譜圖像數據量極大,往往需要平衡獲取時間和信息量。伴隨著成像組件、計算機技術的發展,紅外成像光譜儀的實時性將得到進一步改進。

 

  • 先進的數據處理技術:海量的圖像對圖像處理提出了更高的要求,而這對于圖像復原、后端分析也有著重要意義。光譜圖像數據的定量化、數據分析方法,是滿足應用需求的重要基礎。這也是系統設計和軟件設計努力的方向。

 

  • 應用技術探索:成像光譜儀的應用領域廣泛,不同的應用領域對儀器設計、任務規劃、光譜圖像處理技術等方面均有著特殊的要求。因此,有針對性地探索應用技術,提高設備的應用效率。



03

國內外發展現狀

 

      20世紀70年代末,美國加州理工學院噴氣推進實驗室JPL率先提出了紅外成像光譜儀的概念,并在20世紀80年代研制了首臺機載成像光譜儀AVRIS(光柵分光型)。1987年,法國空間中心研制了第一臺空間調制干涉型紅外成像光譜儀,并在1990年上星。1988年,美國加里福尼亞技術研究所噴氣推進研究室(JPL)研制出了首臺時間調制干涉型紅外成像光譜儀。1991年,第一臺濾光型紅外成像光譜儀樣機在德國亞琛理工大學誕生。受益于紅外探測器和信息處理技術的成熟,紅外成像光譜儀在20世紀90年代得到了快速發展,空間分辨率、光譜分辨率、光譜穩定性、靈敏度等核心指標不斷改進。

 

      北美、歐盟和日本紅外成像光譜儀已進入市場化階段,由企業根據市場需求主導技術發展。美國、加拿大、德國等國家依托其在精密加工、高精度光機控制和先進成像技術等方面的優勢,居于市場主導地位。主要廠商有美國Headwall photonics、挪威Norsk Elektro Optik、美國SOC、加拿大ABB Bomem、Photon、德國Bruker等。

 

      航天用紅外光譜成像儀器的研制通常由國家科研機構或大型軍工企業主導,如美國噴氣推進實驗室、雷神公司和歐洲宇航局等。美國在航天成像光譜儀方面居于世界領先地位,多采用凸面光柵小型化分光成像,如雷神公司開發的ARTEMIS高光譜成像儀。而在歐洲,多使用干涉型分光成像,利用其光譜分辨率高的特點,可提供更好的科學分析功能。

 

      我國紅外成像光譜儀的研究主要集中在星載和機載紅外成像光譜儀,商業化產品較少,產品性能和可靠性也與國外同類產品有一定差距。最近幾年,湖北久之洋公司承擔了國家科技部項目、國家發改委項目,在已有的紅外光學技術、紅外成像技術、精密機械等基礎上,對現場級紅外成像光譜儀進行了深入研究,攻克了多項核心關鍵技術,開發出了多種體制的紅外成像光譜儀,性能指標已經接近國際先進水平。

 

      獲得2019年光環獎(HALO獎)的現場級多波段紅外成像光譜儀設備,是在國家科技部立項的“現場級多波段紅外成像光譜儀開發與應用”項目支持下開發完成的。

 

      該項目由中國船舶重工集團有限公司作為組織單位、久之洋公司作為牽頭單位,聯合裝備研究院、國家海洋局北海海洋技術保障中心、華中科技大學、哈爾濱工程大學、航天中為、湖北省環境科學研究院等6家單位共同研制,并在整機和關鍵器件均實現了國產自主可控。

 

      現場級多波段紅外成像光譜儀的研制成功,打破了國外壟斷和禁運,填補了國內高性能現場分析紅外成像光譜儀領域的技術空白,提升了我國在環境安全與應急處置、軍用光譜特性研究和防化技偵等領域的能力,在水環境監測、氣體檢測、物體鑒別、無損檢測等方面均有大量應用,國內外市場前景看好。因此,需要繼續推進紅外成像光譜儀開發、產業化、應用研究和市場推廣。

 

圖7. 國產紅外成像光譜儀



04

反戰趨勢及展望


      紅外光譜成像技術在二維場景的基礎上引入目標場景的光譜信息,可提升成像設備的目標檢測和識別能力。在隱身目標探測方面,利用紅外光譜成像技術獲取目標表面材料的光譜特性,通過與相應數據庫對比,可以對目標的性質和類型進行檢測,從而識別出隱身偽裝。

 

      因此,紅外光譜成像技術被認為是一種重要的偽裝探測手段。北約集團成立了多光譜/超光譜成像紅外偽裝目標檢測研究小組,長期進行相關研究,積累了大量數據。此外,紅外成像光譜儀也可用于戰場毒氣檢測,確保己方人員安全。

 

      紅外成像光譜儀可對遠距離大范圍氣體污染源及污染流進行實時、無干擾、連續監測。其基于數據庫中的參考光譜與測量光譜之間的相關系數來識別氣體,可估計氣體的位置,氣體云形狀、尺寸、分散程度和遷移方向,對云源進行定位,并且初步估測氣體的濃度。目前,在歐美國家,紅外成像光譜儀已被用于工業區域氣體流動檢測。

 

      此外,歐盟與美國還利用紅外成像光譜儀進行化學毒氣監測,防止恐怖襲擊。一般,對于未知氣體、混合氣體的檢測使用時間干涉型紅外成像光譜儀,對已知單一氣體的檢測使用濾光型紅外成像光譜儀。

 

      光譜成像遙感是當前國際科研的前沿,也是我國戰略發展的重點之一,已應用到國民經濟和社會發展的眾多領域,包括環境資源調查、重大災害監測、城市規劃管理、海洋勘探、全球情報搜集等。

 

      目前,各主要航天大國均有大量星載紅外成像光譜儀對地表進行監測,涉及產品類型涵蓋濾光型、色散型和干涉型各種類型。尤其是美國NASA和歐洲宇航局,其服役設備數量大、種類多、性能先進、后端處理方法成熟,在全球情報獲取方面具有較大優勢。

 

 

作者:岳松 

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