红外高光谱遥感成像的技术发展与气体探测应用

标签:红外探测
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相对可见光和短波红外谱段来说,在红外谱段进行高光谱遥感成像具有独特优势,特别是在资源勘查、地表环境监测、大气环境监测、军事侦察方面。尽管当前红外高光谱成像仪主要以机载为主,还未实现星载,然而国内外相关机构从未放弃推进红外高光谱遥感的星载化。

据麦姆斯咨询报道,近期,中国科学院上海技术物理研究所李春来和王建宇研究员团队在《红外与激光工程》期刊上发表了题为“红外高光谱遥感成像的技术发展与气体探测应用”的文章。第一作者为李春来研究员,主要从事空间红外与光谱技术方面的研究。通讯作者为王建宇研究员(中国科学院院士),主要从事空间光电技术和系统方面的研究。

文中以红外高光谱成像仪的技术发展为主题,首先介绍了了国内外红外高光谱成像仪的发展历程,总结了红外高光谱成像传感器的特色和难点,并探讨了可能的解决途径。在此基础上,介绍了红外高光谱成像在气体探测中的机理、模型和部分实例,指出红外高光谱成像技术是未来有望解决大气环境精细监测和工业领域应急管理最有利的手段之一。最后,还展望了红外高光谱成像技术的发展趋势。

红外高光谱成像传感器的发展

传统的高光谱成像遥感一般指覆盖0.4~2.5μm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3.0~12.5μm谱段的高光谱成像仪。不同于0.4~2.5μm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。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。

国内外典型传感器

1986年,美国国家航空航天局(NASA)下属的喷气动力实验室(JPL)成功研制经典仪器机载可见光近红外成像光谱(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0.4~2.5μm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。

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。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(ATHIS)。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(SIHIS)的研制,SIHIS覆盖了包括中波(3~5μm)和长波(8~12.5μm)的红外区主要大气窗口。

 

 

 

 

图1 国内外主要红外高光谱成像仪照片

技术发展趋势

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50nm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20nm,并且光谱绝对精度要优于1nm。

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10~50m分辨率量级。

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0.1K,采用斯特林制冷的仪器一般在0.1~0.2K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。

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1K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。

红外高光谱成像气体探测

在几乎所有的红外高光谱成像技术的有关研制和应用报道中,地质勘探和大气环境监测都是必不可少的需求。红外高光谱成像可以在远距离、大范围的约束下实现对气体的种类、形态、浓度等进行综合探测,尤其是具备几何形态的成像能力,相比傅里叶红外光谱,在精细环境监测领域具有独特优势。

红外高光谱气体探测机理

当红外谱段的光线穿透气体时,如果入射红外光由频率决定的光子能量与气体分子中两能级的能量之差相等时,气体分子将吸收光子能量,从初始能级跃迁到能量更高的能级,从而使得入射红外光的特定频率成份被吸收,也使得不同成份的气体拥有不同的气体吸收光谱。几乎所有的气体都有这样的“指纹”光谱谱线,这也是光学手段开展气体成份识别的基本物理原理,图2给出了不同气体成份对应的红外吸收光谱谱线。

 

 

图2 不同气体红外吸收光谱

气体烟羽检测与浓度反演

理想的红外气体探测过程以朗伯定律作为基本定律,只要背景和气体存在温差,就可实现探测。如图3和4所示,红外高光谱探测气体的方式主要有空基和地基两种。空基探测一般是直视或斜视,地基探测一般水是平观测。无论采用哪种探测方式,它们的辐射传输过程都基本相同。

 

 

图3 空基平台气体烟羽探测示意图

 

 

图4 地基平台气体烟羽探测示意图

红外高光谱成像气体探测效果

目前,比较成熟的主要是红外高光谱成像技术的简化版——红外多光谱成像技术产品,如美国的Rebellion GCI(Gas Cloud Imaging),其时间分辨率可以达到15Hz,已接近视频级。红外高光成像仪则更多的是用于实验测试研究。图5展示了MAKO、HyTES和ATHIS在气体探测方面的应用案例。

 

 

 

 

图5红外高光谱成像仪气体探测的实际案例

结束语

 

尽管存在诸多问题,经过20多年的发展,红外高光谱成像技术已取得了重要成果。行百里者半九十,作为一种通用的高技术遥感手段,在未实现星载传感器的全球定量观测前都不能算是质的飞越。随着应用需求的推进,特别是目前我国“双碳”计划的深入实施,对大气环境的精细监测需求越来越迫切,未来红外高光谱成像技术的发展将由技术推进型逐步迈向应用推进型。一方面,突破红外精细分光、低暗电流红外面阵探测器、深低温光学系统等核心技术,研制出光谱分辨率达到甚至超过λ/500的星载高性能遥感仪器,获取可用的星载高光谱红外遥感数据。另一方面,继续深挖红外高光谱遥感数据处理,拓展应用模式,深入研究红外高光谱信息与待探测物质成分的深入内在物理联系,提升探测准确度。在大数据分析技术飞速发展的今天,红外高光谱成像技术将大有可为。

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