红外超光谱成像偏振仪

红外超光谱成像偏振仪

张旭

关键词：热红外高光谱；背景辐射；探测灵敏度

1前言

相对可见光和短波红外，在红外波段进行高光谱遥感具有独特的优势，受深低温光学工程实施、面阵红外焦平面组件与红外精细分光等关键技术发展限制，相关仪器的发展和应用在国内一直比较缓慢，“十二五”期间，在国家863计划重点项目的支持下，上海技术物研究所研制了成功我国第一代机载红外高光谱成像仪(以下简称样机)，经测试其性能指标与JPL实验室发展的QWEST设备相当，样机开展了飞行验证，取得了较好的效果。本文介绍了样机的组成原理、部分性能测试结果、实验室的光谱标定以及舟山飞行试验情况，还介绍了样机部分关键组部件的检测和性能评估情况。

2热红外高光谱成像系统的发展

热红外高光谱成像仪主要是获取目标在8.0~12.5μm内的精细光谱，以此进行物质探测和识别。它装载于航天或航空平台，其光学视场对应地面的一个条带的红外高光谱信息，通过平台的运动获取地面目标的红外高光谱图像数据立方体。国外从20世纪开始对热红外高光谱成像仪的系统研制和应用开展研究。1998年美国夏威夷大学完成了热红外高光谱成像仪AHI的研制并开展了大量飞行验证工作，取得了有效成果，进入20世纪，以JPL实验室为代表的机构还陆续发展了QWEST、MAKO等类似仪器。在星载对地观测领域，国际上尚未有相关载荷。

国内的相关起步相对较晚，但进展较快，近年来取得了部分标志性成果。“十二五”期间国内第一台机载热红外高光谱成像仪研制完成，并成功进行了飞行验证，目前已经开展航空热红外高光谱成像仪系统的工程研制工作，在星载热红外高光谱成像载荷方面已经开始筹备。目前国内在该领域的研究工作已取得了一定成绩，但仍有大量研究工作待开展。

3红外高光谱成像仪的原理

红外高光谱成像仪和传统的成像光谱仪原理一样，主要是获取目标在指定波段的精细光谱信息，从而进行物质探测和识别，特点是其工作在红外波段(主要指大气窗口的8.0～12.5μm红外波段)。仪器装载在航天或者航空平台上，分光后光学视场对应地面的一个条带地物信息，仪器通过平台的运动获取目标红外高光谱图像数据立方体。一般而言，仪器由望远镜、分光系统、红外焦平面探测器和电子学等构成。与可见、短波红外谱段相比，红外高光谱成像系统的研制需要考虑背景辐射的影响，这种辐射是指探测器接收的来自于目标以外的辐射，主要是仪器光学机械等部件自身的热辐射，背景辐射的存在会严重影响系统的探测灵敏度。为减少背景辐射影响，红外高光谱成像仪的光机一般工作较低温度。这样就需要重点研究红外精细分光、仪器机械结构等部件的低温性能，然后在此基础上设计如何对光路结构等部件进行制冷。

4系统设计与关键技术突破

样机是在国内首次开展类似系统的工程研制，其设计指标结合任务书要求，并充分考虑了国际技术水平，其总体指标设计和实现指标如下表所示：

样机采用了“推扫成像+延伸波长焦平面组件+色散型分光+低温光学+机上实时定标”的技术路线，设计的关键是低温光学的工程实施、红外精细分光部件和焦平面组件的耦合。样机由航空支架、低温冷箱、制冷系统、电子学箱、POS平台、定标机构及遮光筒等组成，低温冷箱与支架隔热安装，电子机箱与支架导热安装。

样机按照飞行速高比0.02～0.04设计，成像帧频设置为20～160Hz。低温光学系统用于背景抑制，对狭缝、光谱仪、焦平面部件进行整体制冷，制冷温度为100K。样机的主望远镜安装在冷箱外部，工作于室温。作为机载设备，飞行不同高度的环境温度差异较大，为此样机也设计了机上定标装置以保证系统的定量化反演水平。

为保证样机定量化水平与探测灵敏度的实现，设计保证了以下三点:(1)、低温冷箱内的各类部件温度稳定度控制在±1K以内;(2)、低温冷箱内的红外焦平面探测器工作60K，温度稳定度优于±0.5K;(3)、样机采集图像前、采集图像过程中和采集图像后均需启动定标组件完成一次全路径的机上辐射定标。

4.1红外精细分光设计与实现

样机的光学系统包括主望远镜和红外光谱仪两部分，望远镜采用三片式物镜结构，三片透镜材料均为锗，最后一片为和低温冷箱接口的窗口，材料为硒化锌。

按总体设计方案，样机需要设计工作于100K的低温冷箱，从温度适应性和光学效率考虑，将光谱仪设计为全反射式结构，同时，为降低制冷的难度，需要减少光学系统的体积。最终样机权衡采用了“TR双反射三反+平面光栅”的光谱仪结构，光谱仪中的两次用到同一个三反，此三反既充当准直镜又是会聚镜，辐射经过三反准直之后通过光栅分光再返回，经同一三反会聚在像面上。采用该结构有利于在减少系统体积，达到较高的光学效率，经过测试，在8.0～12.5μm谱段，光谱仪的光学效率达到70%以上。

4.2低温光学设计仿真与实施

样机的低温光学设计要实现低温100K制冷技术指标，选择了“机械制冷+真空低温冷箱”的技术方案。采用了大冷量的斯特林制冷机作为冷源，通过PID实现稳定的闭环温控，工作期间不会由于飞机环境温度的变化而使冷箱温度发生变化，同时具有良好的工程可实施性;低温系统通过合适的柔性冷链设计，保证了三反光谱仪、平面光栅、狭缝的制冷温度到100K以下。冷箱采用低膨胀系数的殷钢作为基体材料，各制冷元件通过镜框直接安装在冷箱底板上，真空壳体材料选用钛合金，腔体部分通过铣床整体加工而成，真空壳体盖板和抽气管之间通过焊接方式连接。真空壳体盖板与腔体之间用卡箍进行连接，并采用橡胶垫进行密封，膨胀机安装法兰与真空腔体之间采用橡胶圈进行密封。

为了验证样机的低温制冷效果，设计专项试验对其进行验证，采用2台2.8W@80K斯特林制冷机作为制冷源，制冷部件为等效样机内部热负载的铝块。通过冷箱内外部良好的绝热设计，柔性冷链材料的选取等措施，冷箱内部的全铝负载在约8个小时内可以从常温降低到约97K，光学底板和全铝光谱仪镜片的温度梯度小于1K，温度一致性较好，待系统稳定后，其温度长期稳定性优于0.5K。试验结束后，关闭制冷机冷源，经过约24个小时冷箱可以回到常温。试验表明，目前的低温系统设计可以满足样机100K制冷的低温需求。

5结束语

总体而言，热红外高光谱成像载荷在我国的研究工作仍然不多，目前机载系统尚未完成型号产品定型，星载方面也正开展预先研究，未来其仪器的研制和应用发展仍然有大量工作有待开展，是高光谱遥感的重要发展方向之一。

参考文献：

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[2]梁九生.超光谱成像仪中棱镜的热光谱特性[J].光谱学与光谱分析.2010(06)

[3]张军强.星载超光谱成像仪杂散光及其测量[J].光谱学与光谱分析.2010(10)

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