01

基本概念

    紅外成像光譜儀具有“圖譜合一”的特性，結(jié)合傳統(tǒng)光譜儀和光電成像技術(shù)的特點(diǎn)，可同時(shí)提供圖像二維空間信息和光譜信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)場景的探測和深度分析，在農(nóng)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(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，滿足對(duì)現(xiàn)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(biāo)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(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)容易，光譜通道數(shù)一般較少。隨著聲光可調(diào)諧濾光片、液晶可調(diào)諧濾光片和漸變?yōu)V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(yīng)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(fù)色光分散，在探測器上得到每一個(gè)譜元的直接光譜強(qiáng)度。棱鏡分光利用棱鏡材料對(duì)不同波長的光產(chǎn)生的不同折射的原理；而光柵分光則利用光柵刻縫對(duì)光線的衍射和縫間的干涉原理。光柵分光的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)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(shè)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(shù)通過對(duì)干涉儀產(chǎn)生的干涉圖的測量，并進(jìn)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(shí)間調(diào)制型和空間調(diào)制型。時(shí)間調(diào)制型是通過干涉儀中動(dòng)鏡的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不同的光程差，以時(shí)間積分的方式記錄所有不同光程差下對(duì)應(yīng)的不同干涉級(jí)次的干涉圖信號(hào)，而探測器某一時(shí)刻上獲取的是所有目標(biāo)在同一光程差處的強(qiáng)度圖像?？臻g調(diào)制型通過剪切分束器產(chǎn)生不同的光程差，并在沿一定空間方向的不同位置上產(chǎn)生同一目標(biāo)的不同干涉級(jí)次的干涉圖，而在其垂直方向?qū)?yīng)不同空間目標(biāo)；在某一時(shí)刻上獲取的是相應(yīng)不同目標(biāo)在不同光程差處的干涉強(qiáng)度圖像。

    時(shí)間調(diào)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度大，內(nèi)部有運(yùn)動(dòng)部件。

圖5. 干涉型紅外成像光譜儀工作原理

    空間調(diào)制干涉紅外成像光譜儀的光譜分辨率較高，光譜范圍寬，內(nèi)部無運(yùn)動(dòng)部件，但是其需要擺掃或推掃，光通量和光譜分辨率比時(shí)間調(diào)制型較低。

圖6. 空間調(diào)制干涉型紅外成像光譜儀工作原理

02

發(fā)展趨勢

    目前紅外成像光譜設(shè)備有如下的發(fā)展趨勢：

•     小型化：當(dāng)前高性能紅外成像光譜儀還普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積重量較大的問題，限制了其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。隨著微光機(jī)電和小型化集成設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)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(guān)注。

•     高分辨率：更豐富的信息是成像和探測技術(shù)追求的目標(biāo)，這包括光譜分辨率、空間分辨率。而在實(shí)際應(yīng)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(duì)不同應(yīng)用獲取盡可能多的數(shù)據(jù)一直是技術(shù)難點(diǎn)，是成像光譜技術(shù)永不停歇的改進(jìn)方向。

•     更好的實(shí)時(shí)性：在商業(yè)化產(chǎn)品應(yīng)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(shù)據(jù)量極大，往往需要平衡獲取時(shí)間和信息量。伴隨著成像組件、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，紅外成像光譜儀的實(shí)時(shí)性將得到進(jìn)一步改進(jìn)。

•     先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)：海量的圖像對(duì)圖像處理提出了更高的要求，而這對(duì)于圖像復(fù)原、后端分析也有著重要意義。光譜圖像數(shù)據(jù)的定量化、數(shù)據(jù)分析方法，是滿足應(yīng)用需求的重要基礎(chǔ)。這也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)努力的方向。

•     應(yīng)用技術(shù)探索：成像光譜儀的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)x器設(shè)計(jì)、任務(wù)規(guī)劃、光譜圖像處理技術(shù)等方面均有著特殊的要求。因此，有針對(duì)性地探索應(yīng)用技術(shù)，提高設(shè)備的應(yīng)用效率。

03

國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

    20世紀(jì)70年代末，美國加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室JPL率先提出了紅外成像光譜儀的概念，并在20世紀(jì)80年代研制了首臺(tái)機(jī)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(tái)空間調(diào)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(shù)研究所噴氣推進(jìn)研究室(JPL)研制出了首臺(tái)時(shí)間調(diào)制干涉型紅外成像光譜儀。1991年，第一臺(tái)濾光型紅外成像光譜儀樣機(jī)在德國亞琛理工大學(xué)誕生。受益于紅外探測器和信息處理技術(shù)的成熟，紅外成像光譜儀在20世紀(jì)90年代得到了快速發(fā)展，空間分辨率、光譜分辨率、光譜穩(wěn)定性、靈敏度等核心指標(biāo)不斷改進(jìn)。

    北美、歐盟和日本紅外成像光譜儀已進(jìn)入市場化階段，由企業(yè)根據(jù)市場需求主導(dǎo)技術(shù)發(fā)展。美國、加拿大、德國等國家依托其在精密加工、高精度光機(jī)控制和先進(jìn)成像技術(shù)等方面的優(yōu)勢，居于市場主導(dǎo)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(jī)構(gòu)或大型軍工企業(yè)主導(dǎo)，如美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(lǐng)先地位，多采用凸面光柵小型化分光成像，如雷神公司開發(fā)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(diǎn)，可提供更好的科學(xué)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(jī)載紅外成像光譜儀，商業(yè)化產(chǎn)品較少，產(chǎn)品性能和可靠性也與國外同類產(chǎn)品有一定差距。最近幾年，湖北久之洋公司承擔(dān)了國家科技部項(xiàng)目、國家發(fā)改委項(xiàng)目，在已有的紅外光學(xué)技術(shù)、紅外成像技術(shù)、精密機(jī)械等基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)場級(jí)紅外成像光譜儀進(jìn)行了深入研究，攻克了多項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出了多種體制的紅外成像光譜儀，性能指標(biāo)已經(jīng)接近國際先進(jìn)水平。

    獲得2019年光環(huán)獎(jiǎng)（HALO獎(jiǎng)）的現(xiàn)場級(jí)多波段紅外成像光譜儀設(shè)備，是在國家科技部立項(xiàng)的“現(xiàn)場級(jí)多波段紅外成像光譜儀開發(fā)與應(yīng)用”項(xiàng)目支持下開發(fā)完成的。

    該項(xiàng)目由中國船舶重工集團(tuán)有限公司作為組織單位、久之洋公司作為牽頭單位，聯(lián)合裝備研究院、國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心、華中科技大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、航天中為、湖北省環(huán)境科學(xué)研究院等6家單位共同研制，并在整機(jī)和關(guān)鍵器件均實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)自主可控。

    現(xiàn)場級(jí)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(yùn)，填補(bǔ)了國內(nèi)高性能現(xiàn)場分析紅外成像光譜儀領(lǐng)域的技術(shù)空白，提升了我國在環(huán)境安全與應(yīng)急處置、軍用光譜特性研究和防化技偵等領(lǐng)域的能力，在水環(huán)境監(jiān)測、氣體檢測、物體鑒別、無損檢測等方面均有大量應(yīng)用，國內(nèi)外市場前景看好。因此，需要繼續(xù)推進(jìn)紅外成像光譜儀開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化、應(yīng)用研究和市場推廣。

圖7. 國產(chǎn)紅外成像光譜儀

04

反戰(zhàn)趨勢及展望

    紅外光譜成像技術(shù)在二維場景的基礎(chǔ)上引入目標(biāo)場景的光譜信息，可提升成像設(shè)備的目標(biāo)檢測和識(shí)別能力。在隱身目標(biāo)探測方面，利用紅外光譜成像技術(shù)獲取目標(biāo)表面材料的光譜特性，通過與相應(yīng)數(shù)據(jù)庫對(duì)比，可以對(duì)目標(biāo)的性質(zhì)和類型進(jìn)行檢測，從而識(shí)別出隱身偽裝。

    因此，紅外光譜成像技術(shù)被認(rèn)為是一種重要的偽裝探測手段。北約集團(tuán)成立了多光譜/超光譜成像紅外偽裝目標(biāo)檢測研究小組，長期進(jìn)行相關(guān)研究，積累了大量數(shù)據(jù)。此外，紅外成像光譜儀也可用于戰(zhàn)場毒氣檢測，確保己方人員安全。

    紅外成像光譜儀可對(duì)遠(yuǎn)距離大范圍氣體污染源及污染流進(jìn)行實(shí)時(shí)、無干擾、連續(xù)監(jiān)測。其基于數(shù)據(jù)庫中的參考光譜與測量光譜之間的相關(guān)系數(shù)來識(shí)別氣體，可估計(jì)氣體的位置，氣體云形狀、尺寸、分散程度和遷移方向，對(duì)云源進(jìn)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(yè)區(qū)域氣體流動(dòng)檢測。

    此外，歐盟與美國還利用紅外成像光譜儀進(jìn)行化學(xué)毒氣監(jiān)測，防止恐怖襲擊。一般，對(duì)于未知?dú)怏w、混合氣體的檢測使用時(shí)間干涉型紅外成像光譜儀，對(duì)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(dāng)前國際科研的前沿，也是我國戰(zhàn)略發(fā)展的重點(diǎn)之一，已應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的眾多領(lǐng)域，包括環(huán)境資源調(diào)查、重大災(zāi)害監(jiān)測、城市規(guī)劃管理、海洋勘探、全球情報(bào)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(duì)地表進(jìn)行監(jiān)測，涉及產(chǎn)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(shè)備數(shù)量大、種類多、性能先進(jìn)、后端處理方法成熟，在全球情報(bào)獲取方面具有較大優(yōu)勢。

    封面來源：maverickinspection.com

原文鏈接：《紅外分光成像光譜儀：夜空鷹眼 無言獵犬》

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