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红外分光成像光谱仪:夜空鹰眼 无言猎犬
发布人:  发布时间:2020-03-05   浏览次数:

 

 

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基本概念


      红外成像光谱仪具有“图谱合一”的特性,结合传统光谱仪和光电成像技术的特点,可同时提供图像二维空间信息和光谱信息,实现对目标场景的探测和深度分析,在农作物检测、气体检测、食品检测、垃圾分拣、国防研究、公共安全等领域均有广泛的应用,满足对现场分析的要求。

 


图1. 红外分光成像仪可提供图像的二维信息和光谱信息

 

     按照分光原理,红外成像光谱仪可分为滤光型、色散型和干涉型三种。 

 


图2. 红外成像光谱仪的三种类型

 

      滤光型成像光谱仪是将来自场景目标的光透过滤光片形成一定窄波段的光谱,再成像到焦平面探测器阵列上。这种成像光谱仪结构简单、实现容易,光谱通道数一般较少。随着声光可调谐滤光片、液晶可调谐滤光片和渐变滤光片的成熟,滤光型成像光谱仪的光谱分辨率、体积重量、响应速度得到了较大改善,但仍存在光谱分辨率较低、波段受限等不足。

 

图3. 滤光型成像光谱仪工作原理

 

     色散型红外成像光谱仪利用特定的色散元件(也称分光元件)将复色光分散,在探测器上得到每一个谱元的直接光谱强度。棱镜分光利用棱镜材料对不同波长的光产生的不同折射的原理;而光栅分光则利用光栅刻缝对光线的衍射和缝间的干涉原理。光栅分光的特点是结构简单、光谱分辨率较高,但是其存在光通量较小、色散的非线性问题,且设备需要摆扫或推扫。

 

图4. 色散型红外成像光谱仪工作原理

 

     干涉光谱成像技术通过对干涉仪产生的干涉图的测量,并进行傅里叶变换积分的方法来测定和研究光谱图像。从原理上可以分为时间调制型和空间调制型。时间调制型是通过干涉仪中动镜的运动产生不同的光程差,以时间积分的方式记录所有不同光程差下对应的不同干涉级次的干涉图信号,而探测器某一时刻上获取的是所有目标在同一光程差处的强度图像。空间调制型通过剪切分束器产生不同的光程差,并在沿一定空间方向的不同位置上产生同一目标的不同干涉级次的干涉图,而在其垂直方向对应不同空间目标;在某一时刻上获取的是相应不同目标在不同光程差处的干涉强度图像。

 

      时间调制干涉红外成像光谱仪的光谱分辨率极高,光通量大、杂散光低,光谱范围宽,可凝视成像,但是其结构复杂,技术难度大,内部有运动部件。

 

图5. 干涉型红外成像光谱仪工作原理

 

      空间调制干涉红外成像光谱仪的光谱分辨率较高,光谱范围宽,内部无运动部件,但是其需要摆扫或推扫,光通量和光谱分辨率比时间调制型较低。

 

图6. 空间调制干涉型红外成像光谱仪工作原理

 

 

02

发展趋势


    目前红外成像光谱设备有如下的发展趋势:

 

  • 小型化:当前高性能红外成像光谱仪还普遍存在结构复杂、体积重量较大的问题,限制了其产业化发展。随着微光机电和小型化集成设计技术的发展,便携式、高性能的红外成像光谱仪成为可能,也得到了研究人员和市场的关注。

 

  • 高分辨率:更丰富的信息是成像和探测技术追求的目标,这包括光谱分辨率、空间分辨率。而在实际应用中,往往需要平衡空间分辨率和光谱分辨率。因此,如何针对不同应用获取尽可能多的数据一直是技术难点,是成像光谱技术永不停歇的改进方向。

 

  • 更好的实时性:在商业化产品应用中,红外成像光谱仪的成像速度也是非常重要的因素。由于光谱图像数据量极大,往往需要平衡获取时间和信息量。伴随着成像组件、计算机技术的发展,红外成像光谱仪的实时性将得到进一步改进。

 

  • 先进的数据处理技术:海量的图像对图像处理提出了更高的要求,而这对于图像复原、后端分析也有着重要意义。光谱图像数据的定量化、数据分析方法,是满足应用需求的重要基础。这也是系统设计和软件设计努力的方向。

 

  • 应用技术探索:成像光谱仪的应用领域广泛,不同的应用领域对仪器设计、任务规划、光谱图像处理技术等方面均有着特殊的要求。因此,有针对性地探索应用技术,提高设备的应用效率。



03

国内外发展现状

 

      20世纪70年代末,美国加州理工学院喷气推进实验室JPL率先提出了红外成像光谱仪的概念,并在20世纪80年代研制了首台机载成像光谱仪AVRIS(光栅分光型)。1987年,法国空间中心研制了第一台空间调制干涉型红外成像光谱仪,并在1990年上星。1988年,美国加里福尼亚技术研究所喷气推进研究室(JPL)研制出了首台时间调制干涉型红外成像光谱仪。1991年,第一台滤光型红外成像光谱仪样机在德国亚琛理工大学诞生。受益于红外探测器和信息处理技术的成熟,红外成像光谱仪在20世纪90年代得到了快速发展,空间分辨率、光谱分辨率、光谱稳定性、灵敏度等核心指标不断改进。

 

      北美、欧盟和日本红外成像光谱仪已进入市场化阶段,由企业根据市场需求主导技术发展。美国、加拿大、德国等国家依托其在精密加工、高精度光机控制和先进成像技术等方面的优势,居于市场主导地位。主要厂商有美国Headwall photonics、挪威Norsk Elektro Optik、美国SOC、加拿大ABB Bomem、Photon、德国Bruker等。

 

      航天用红外光谱成像仪器的研制通常由国家科研机构或大型军工企业主导,如美国喷气推进实验室、雷神公司和欧洲宇航局等。美国在航天成像光谱仪方面居于世界领先地位,多采用凸面光栅小型化分光成像,如雷神公司开发的ARTEMIS高光谱成像仪。而在欧洲,多使用干涉型分光成像,利用其光谱分辨率高的特点,可提供更好的科学分析功能。

 

      我国红外成像光谱仪的研究主要集中在星载和机载红外成像光谱仪,商业化产品较少,产品性能和可靠性也与国外同类产品有一定差距。最近几年,湖北久之洋公司承担了国家科技部项目、国家发改委项目,在已有的红外光学技术、红外成像技术、精密机械等基础上,对现场级红外成像光谱仪进行了深入研究,攻克了多项核心关键技术,开发出了多种体制的红外成像光谱仪,性能指标已经接近国际先进水平。

 

      获得2019年光环奖(HALO奖)的现场级多波段红外成像光谱仪设备,是在国家科技部立项的“现场级多波段红外成像光谱仪开发与应用”项目支持下开发完成的。

 

      该项目由中国船舶重工集团有限公司作为组织单位、久之洋公司作为牵头单位,联合装备研究院、国家海洋局北海海洋技术保障中心、华中科技大学、哈尔滨工程大学、航天中为、湖北省环境科学研究院等6家单位共同研制,并在整机和关键器件均实现了国产自主可控。

 

      现场级多波段红外成像光谱仪的研制成功,打破了国外垄断和禁运,填补了国内高性能现场分析红外成像光谱仪领域的技术空白,提升了我国在环境安全与应急处置、军用光谱特性研究和防化技侦等领域的能力,在水环境监测、气体检测、物体鉴别、无损检测等方面均有大量应用,国内外市场前景看好。因此,需要继续推进红外成像光谱仪开发、产业化、应用研究和市场推广。

 

图7. 国产红外成像光谱仪



04

反战趋势及展望


      红外光谱成像技术在二维场景的基础上引入目标场景的光谱信息,可提升成像设备的目标检测和识别能力。在隐身目标探测方面,利用红外光谱成像技术获取目标表面材料的光谱特性,通过与相应数据库对比,可以对目标的性质和类型进行检测,从而识别出隐身伪装。

 

      因此,红外光谱成像技术被认为是一种重要的伪装探测手段。北约集团成立了多光谱/超光谱成像红外伪装目标检测研究小组,长期进行相关研究,积累了大量数据。此外,红外成像光谱仪也可用于战场毒气检测,确保己方人员安全。

 

      红外成像光谱仪可对远距离大范围气体污染源及污染流进行实时、无干扰、连续监测。其基于数据库中的参考光谱与测量光谱之间的相关系数来识别气体,可估计气体的位置,气体云形状、尺寸、分散程度和迁移方向,对云源进行定位,并且初步估测气体的浓度。目前,在欧美国家,红外成像光谱仪已被用于工业区域气体流动检测。

 

      此外,欧盟与美国还利用红外成像光谱仪进行化学毒气监测,防止恐怖袭击。一般,对于未知气体、混合气体的检测使用时间干涉型红外成像光谱仪,对已知单一气体的检测使用滤光型红外成像光谱仪。

 

      光谱成像遥感是当前国际科研的前沿,也是我国战略发展的重点之一,已应用到国民经济和社会发展的众多领域,包括环境资源调查、重大灾害监测、城市规划管理、海洋勘探、全球情报搜集等。

 

      目前,各主要航天大国均有大量星载红外成像光谱仪对地表进行监测,涉及产品类型涵盖滤光型、色散型和干涉型各种类型。尤其是美国NASA和欧洲宇航局,其服役设备数量大、种类多、性能先进、后端处理方法成熟,在全球情报获取方面具有较大优势。

 

 

作者:岳松 


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