紅外高光譜成像儀對氣體光譜測量的應(yīng)用

來源：賽斯拜克發(fā)表時間：2023-09-19 瀏覽量：903 作者：awei

隨著科技的不斷發(fā)展，光譜成像技術(shù)在氣體測量領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。其中，紅外高光譜成像儀因其具有的高精度、高靈敏度和非接觸性等優(yōu)勢，成為了氣體光譜測量中的重要工具。本文將介紹紅外高光譜成像儀的原理及其在氣體光譜測量中的應(yīng)用情況。

一、紅外高光譜成像儀的工作原理

紅外高光譜成像儀是一種結(jié)合了光譜學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和信息科學(xué)等多學(xué)科技術(shù)的儀器。它通過接收物體發(fā)射的紅外光線，測定其輻射能量和輻射速率，并通過對這些數(shù)據(jù)的分析，得到物體的化學(xué)成分、溫度和厚度等信息。

紅外高光譜成像儀主要由光學(xué)系統(tǒng)、探測器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機等組成。其工作原理是將待測氣體樣本置于光學(xué)系統(tǒng)中，通過反射、吸收和透射等方式對紅外光線進行調(diào)制。調(diào)制后的光線被探測器接收并轉(zhuǎn)換為電信號，這些電信號隨后被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后由計算機進行處理和分析。

二、紅外高光譜成像氣體探測

在幾乎所有的紅外高光譜成像技術(shù)的有關(guān)研制和應(yīng)用報道中，地質(zhì)勘探和大氣環(huán)境監(jiān)測都是必不可少的需求。紅外高光譜成像可以在遠距離、大范圍的約束下實現(xiàn)對氣體的種類、形態(tài)、濃度等進行綜合探測，尤其是具備幾何形態(tài)的成像能力，相比傅里葉紅外光譜，在精細(xì)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域具有獨特優(yōu)勢。

紅外高光譜氣體探測機理

圖2 不同氣體紅外吸收光譜

氣體煙羽檢測與濃度反演

理想的紅外氣體探測過程以朗伯定律作為基本定律，只要背景和氣體存在溫差，就可實現(xiàn)探測。如圖3和4所示，紅外高光譜探測氣體的方式主要有空基和地基兩種。空基探測一般是直視或斜視，地基探測一般水是平觀測。無論采用哪種探測方式，它們的輻射傳輸過程都基本相同。

圖3 空基平臺氣體煙羽探測示意圖

圖4 地基平臺氣體煙羽探測示意圖

紅外高光譜成像氣體探測效果

目前，比較成熟的主要是紅外高光譜成像技術(shù)的簡化版——紅外多光譜成像技術(shù)產(chǎn)品，如美國的Rebellion GCI（Gas Cloud Imaging），其時間分辨率可以達到15Hz，已接近視頻級。紅外高光成像儀則更多的是用于實驗測試研究。圖5展示了MAKO、HyTES和ATHIS在氣體探測方面的應(yīng)用案例。

圖5 紅外高光譜成像儀氣體探測的實際案例

三、紅外高光譜遙感成像的技術(shù)發(fā)展與氣體探測應(yīng)用

通過獲取光譜信息來探知物質(zhì)特性已在眾多領(lǐng)域成功實踐。上世紀(jì)80年代，高分辨率光譜信息（一般認(rèn)為光譜分辨率為波長的百分之一以內(nèi)）獲取技術(shù)在對地觀測領(lǐng)域得到應(yīng)用，逐步形成了高光譜遙感。高光譜遙感的優(yōu)勢在于它可獲得精細(xì)的地物光譜信息（也可以認(rèn)為是圖譜信息），具有分辨更多地物類型和反演更多地物特性的能力。高光譜成像儀是獲取高光譜遙感數(shù)據(jù)的專用傳感器，主要由前光學(xué)（物鏡）、狹縫、分光器、探測器等部件組成。其中，分光器是獲得精細(xì)光譜的核心部件，也是高光譜成像儀與其他光學(xué)傳感器最大的區(qū)別。

圖1 高光譜成像儀的基本組成

受大氣層作用影響，對地遙感的光學(xué)傳感器并不能探測所有譜段，被傳感器探測到，能透過輻射的波段稱為大氣窗口。在光學(xué)頻段，大氣窗口包括0.4~2.5 μm，3.0~5.0 μm和8.0~12.5 μm三個主要光譜范圍。傳統(tǒng)高光譜遙感主要位于0.4~2.5 μm頻段，傳感器接收的能量主要是地物反射的太陽輻射。隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用需求的拓展，僅依靠0.4~2.5 μm的反射光譜在解析地物種類、反演地表參數(shù)方面仍有提升空間，特別在大氣遙感和氣體反演領(lǐng)域，紅外高光譜成像技術(shù)不可或缺。

紅外高光譜成像儀主要覆蓋3.0~5.0 μm和8.0~12.5 μm，不同于0.4~2.5 μm譜段高光譜成像儀圍繞精細(xì)分光組件和高性能面陣探測器而展開研究，紅外高光譜成像儀發(fā)展則重點關(guān)注如何抑制背景輻射而展開。從傳感器的整體組成和重要性來說，抑制背景輻射的低溫模組占據(jù)了主要空間和重量。在應(yīng)用方面，紅外高光譜遙感已在資源勘查、地表環(huán)境監(jiān)測、大氣環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域展示了獨特優(yōu)勢。隨著相關(guān)技術(shù)進發(fā)展和需求推進，高光譜遙感向著全譜化、精準(zhǔn)化、融合化的方向繼續(xù)發(fā)展，紅外高光譜遙感成為高光譜遙感當(dāng)前科學(xué)研究熱點。

本團隊圍繞紅外譜段高光譜成像技術(shù)開展了全鏈條、系統(tǒng)化研究工作，在國內(nèi)率先開展了物理原理和基礎(chǔ)仿真工作，搭建了國內(nèi)第一套熱紅外高光譜成像裝置，“十二五”期間完成了國內(nèi)首臺機載熱紅外高光譜成像儀研制，目前已逐步開展業(yè)務(wù)化飛行，在星載儀器方面基于“離軸三反主望遠鏡+分色片通道分離+視場拼接+光譜儀/焦平面一體化制冷+復(fù)合定標(biāo)”的技術(shù)路線，于2021年在國際上首次完成了星載高分辨率紅外高光譜相機原型機研制，空間分辨率達到30米，成像幅寬達到60公里，共包含384個紅外光譜通道。項目團隊在發(fā)展紅外高光譜成像技術(shù)的同時，也重點關(guān)注該技術(shù)在氣體探測、礦物識別、地表溫度發(fā)射率反演等領(lǐng)域的實際應(yīng)用，目前項目組正和華為科技有限公司、摩庫數(shù)據(jù)等企業(yè)合作開展基于紅外光譜成像的?；瘹怏w紅外高光譜監(jiān)測原型機的開發(fā)工作，期望在化工園區(qū)安全生產(chǎn)方面提供一種全新的安全預(yù)警手段。

研究背景

3~14 μm的紅外譜段是高光譜應(yīng)用的重要譜段，區(qū)別于單波段或多波段紅外成像，紅外高光譜無須事先對待探測的物質(zhì)設(shè)定假設(shè)的發(fā)射率參數(shù)，能夠真實分離發(fā)射率與溫度分離，紅外高光譜遙感理應(yīng)成為地球熱紅外遙感最基礎(chǔ)的信息獲取手段。受制于紅外面陣探測器、深低溫光學(xué)、高性能紅外精細(xì)分光等關(guān)鍵技術(shù)，紅外譜段的高光譜成像傳感器研制難度極大，目前國際上還沒有星載紅外高光譜成像儀入軌實現(xiàn)對地觀測和應(yīng)用，國內(nèi)外在機載紅外高光譜成像領(lǐng)域投入了大量精力。

據(jù)不完全統(tǒng)計，截止到2021年，全球不同科研機構(gòu)和高科技企業(yè)先后共研制了12款典型的對地觀測紅外高光譜成像儀。其中，最早的紅外高光譜成像儀是美國宇航公司（Aerospace Corporation）1995年研制的空間增強型寬譜段陣列光譜儀（Spatially enhanced broadband array spectrograph system, SEBASS）。我國紅外高光譜遙感技術(shù)發(fā)展晚于歐美，“十五”開始，科技部開始支持中科院上海技術(shù)物理研究所開展熱紅外高光譜成像技術(shù)的機理研究，“十二五”期間，在科技部重點項目的支持下，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制了我國第一臺機載熱紅外高光譜成像儀樣機，在“高分”專項航空全譜段多模態(tài)成像光譜儀項目支持下，進一步完善了機載樣機的工程化水平，形成了機載熱紅外高光譜成像系統(tǒng)（Airborne thermal-infrared hyper-spectral imaging system，ATHIS）。在原有技術(shù)體系基礎(chǔ)上，2020年成功研制了空間高分辨紅外高光譜成像儀（Space-borne infrared hyper-spectral imaging system，SIHIS），SIHIS覆蓋中波（3~5 μm）和長波（8~12.5 μm）的紅外大氣窗口。

表1 國內(nèi)外主要紅外高光譜成像儀

(a) SEBASS

(b) AHI

(d) Hyper-Cam

(e) MAKO

(f) MAGI

(g) Sieleters

(h) AISA OWL

(i) HyTES

(j) MAKO升級版

(k) ATHIS

(l) SIHIS

圖1 國內(nèi)外主要紅外高光譜成像儀照片

從光譜分辨率來看，已有的大部分紅外高光譜成像儀光譜分辨率均在50 nm附近，該指標(biāo)在地礦領(lǐng)域可以滿足礦物精確解析的需求。當(dāng)需要開展氣體探測時，光譜分辨率一般要優(yōu)于20 nm，并且光譜絕對精度要優(yōu)于1 nm。

從空間分辨率來看，機載設(shè)備的空間分辨率一般在毫弧度級，星載儀器方面太陽同步星載的空間分辨率一般在10~50 m分辨率量級。星載儀器的空間分辨率較高，一般需要較大口徑的紅外望遠鏡，這種情況下，只能采用光譜儀制冷的背景輻射抑制方案。和空間分辨率相關(guān)的另外一個指標(biāo)是儀器觀測視場，為了保證高作業(yè)效率（即幅寬），星載儀器都要求有較大的總視場角。針對這一問題，美國的星載樣機MAGI設(shè)計有擺掃機構(gòu)增大光學(xué)總視場角，SIHIS則是通過3個視場拼接的方式來增大總視場。

從輻射分辨率來看，對于光柵分光的儀器來說，采用液氮或液氦或制冷的儀器輻射分辨率一般都優(yōu)于0.1 K，采用斯特林制冷的儀器一般在0.1~0.2 K之間。采用傅里葉分光技術(shù)體制的儀器的輻射靈敏度一般都好于光柵分光體制的儀器。在成像波段方面，中波紅外的輻射分辨率一般都優(yōu)于長波波段。這也說明長波的紅外高光譜成像儀研制難度更大，無論是當(dāng)前流行的MCT探測器，還是新興的量子阱探測器和二類超晶格探測器，背景輻射都是影響儀器輻射分辨率的主要原因。除了繼續(xù)探索降低背景輻射的技術(shù)之外，超低暗電流的新型探測器發(fā)展是紅外高光譜成像儀發(fā)展的驅(qū)動之一。

總體來說，目前已有的紅外高光譜成像技術(shù)，其光譜分辨率和空間分辨率已基本能滿足地礦領(lǐng)域的應(yīng)用需求，但在光譜分辨率要求更高的氣體探測領(lǐng)域仍然有較大應(yīng)用需求驅(qū)動?；跓o人機平臺的非制冷探測器型紅外高光譜成像儀，輻射分辨率往往只能到1 K量級，在很多領(lǐng)域都難以應(yīng)用。在星載化上，作為一種有廣闊前景的遙感技術(shù)，衛(wèi)星遙感是紅外高光譜遙感發(fā)展的必然趨勢。

主要內(nèi)容

光譜分辨率、空間分辨率、輻射分辨率（也稱靈敏度）、時間分辨率集中體現(xiàn)了高光譜儀器在光譜、空間、輻射、重訪周期四方面性能，直接決定了高光譜儀器的應(yīng)用效果。紅外高光譜遙感的應(yīng)用場景主要為資源勘查、地表環(huán)境監(jiān)測、大氣環(huán)境監(jiān)測等。星載紅外高光譜成像儀的光譜分辨率需求是優(yōu)于波長的1/200，空間分辨率達到幾十米至米級，單個波段的探測靈敏度在達到0.2 K水平。

為實現(xiàn)上述綜合技術(shù)指標(biāo)，項目組提出了“離軸三反主望遠鏡+分色片通道分離+紅外視場拼接+光譜儀/焦平面一體化制冷+在軌復(fù)合定標(biāo)”的總體技術(shù)路線。以該技術(shù)鏈路為基礎(chǔ)，課題組先后研制了機載熱紅外高光譜成像儀(ATHIS)和星載高分辨率紅外高光譜成像儀（SIHIS）。

圖2 ATHIS在浙江舟山開展飛行實驗

圖3 裝載運12飛機后的艙內(nèi)照片

ATHIS于2016年研制成功，并在浙江舟山、海南東方、河北雄安新區(qū)、浙江東陽橫店等多個區(qū)域開展了航空遙感應(yīng)用實驗。ATHIS儀器設(shè)計為3臺指標(biāo)相同的熱紅外高光譜相機以視場外拼接方式實現(xiàn)40°觀測視場，其單臺相機的光學(xué)視場在14°左右。在分光技術(shù)路線的選擇上采用了平面閃耀光柵分光，為了減小光譜儀體積，設(shè)計為RT光譜儀構(gòu)。三臺同樣設(shè)計的RT光譜儀共同放置在一個低溫100K制冷的冷箱內(nèi)。ATHIS設(shè)計有機上定標(biāo)裝置，用于飛行過程中的儀器的輻射定標(biāo)。ATHIS采用探測器/光譜儀斯特林制冷方案，最終實測的140個成像波段平均靈敏度達到0.17 K。

表2 機載熱紅外高光譜成像儀ATHIS技術(shù)指標(biāo)

圖4 ATHIS在浙江東陽橫店飛行獲取的熱紅外影像圖

星載高分辨率紅外高光譜成像儀SIHIS在光學(xué)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、背景抑制方案和探測器均與ATHIS保持一致，采用了大口徑離軸三反式望遠鏡，空間分辨率達到30m@708 km，結(jié)合視場拼接技術(shù)實現(xiàn)了觀測幅寬60 km的指標(biāo)。SIHIS將譜段覆蓋拓展到了中波紅外譜段，共包括328個成像波段。在中波譜段，光譜分辨率達到20nm，靈敏度平均達到0.05 K@400K，在長波譜段，光譜分辨率達到60nm，靈敏度平均達到0.15 K@300K。SIHIS的總視場角為4.84°，未來有望開展空間演示驗證。

表3 星載高分辨率紅外高光譜成像儀SIHIS技術(shù)指標(biāo)

星載高分辨率紅外高光譜成像儀SIHIS在我國首次實現(xiàn)了中波紅外譜段的高光譜成像，下圖給出了該儀器對外成像的中紅外高光譜影像，從光譜曲線來看，可以清晰地識別4300nm附近的CO2強吸收，該技術(shù)有望為大氣環(huán)境碳排放精細(xì)監(jiān)測提供一種全新技術(shù)手段，在空間平臺實現(xiàn)十米量級分辨率的CO2排放大尺度全球監(jiān)測。

圖5 星載高分辨率紅外高光譜成像儀SIHIS地面實測中波高光譜影像

在氣體光學(xué)探測領(lǐng)域，3~14 μm的中長波紅外是氣體分子躍遷的“基頻”譜線段，相對位于可見光或者短波譜段的“合頻”、“倍頻”譜線段，其吸收深度要比前者深1~3個量級，利用該譜段開展氣體探測具有天然優(yōu)勢，下圖給出了典型氣體分子在紅外譜段的指紋光譜吸收曲線。紅外高光譜成像技術(shù)是未來有望解決大氣環(huán)境精細(xì)監(jiān)測和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)急管理最有利的手段之一?；谏鲜龌驹恚鳛橐慌_實用型紅外高光譜成像儀，ATHIS在氣體探測領(lǐng)域有著獨特優(yōu)勢，能實現(xiàn)氣體的多參量復(fù)合探測，能同時實現(xiàn)氣體種類識別、氣體擴散形態(tài)、氣體濃度分布、氣體擴散趨勢等參量探測，相對基于主動激光的氣體探測手段具有能成像的優(yōu)勢，相對基于被動傅里葉紅外的氣體探測手段具有能成像、高時效的特點。

圖6 典型氣體分子在紅外譜段的指紋光譜吸收曲線

圖7 利用ATHIS儀器對200米外SF6氣體進行的多參量探測實驗

以SF₆（六氟化硫）為實驗氣體，課題組利用ATHIS儀器開展了氣體探測實驗，探測對象為SF₆氣體，探測距離約200米，當(dāng)SF₆氣體從氣罐中放出后，基于得到的紅外高光譜數(shù)據(jù)立方體數(shù)據(jù)分析，可以看到SF₆氣體從低于背景溫度而表現(xiàn)出的吸收光譜形狀到溫度升高后表現(xiàn)出的發(fā)射光譜形狀的變化趨勢。這種解析能力與傳統(tǒng)單波段、多光譜紅外成像遙感相比，除了大大擴展了可探測識別的氣體種類的數(shù)量，也一定程度上使檢測污染氣體的像元處理方式變得簡單，從而使得反演得到的氣體濃度準(zhǔn)確度大大提高，有望解決復(fù)雜背景下氣體濃度與輪廓的探測，未來在能源安全生產(chǎn)領(lǐng)域提供一種獨特的技術(shù)手段，滿足危險氣體泄露提前預(yù)警的重大需求。

上一頁 : 高光譜相機在黑土有機質(zhì)含量高光譜模型研究的應(yīng)用

下一頁 : 高光譜相機有何應(yīng)用？高光譜相機的發(fā)展趨勢是怎樣的？