相對(duì)可見(jiàn)光和短波紅外譜段來(lái)說(shuō)，在紅外譜段進(jìn)行高光譜遙感成像具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，特別是在資源勘查、地表環(huán)境監(jiān)測(cè)、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事偵察方面。盡管當(dāng)前紅外高光譜成像儀主要以機(jī)載為主，還未實(shí)現(xiàn)星載，然而國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)從未放棄推進(jìn)紅外高光譜遙感的星載化。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所李春來(lái)和王建宇研究員團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了題為“紅外高光譜遙感成像的技術(shù)發(fā)展與氣體探測(cè)應(yīng)用”的文章。第一作者為李春來(lái)研究員，主要從事空間紅外與光譜技術(shù)方面的研究。通訊作者為王建宇研究員（中國(guó)科學(xué)院院士），主要從事空間光電技術(shù)和系統(tǒng)方面的研究。

文中以紅外高光譜成像儀的技術(shù)發(fā)展為主題，首先介紹了了國(guó)內(nèi)外紅外高光譜成像儀的發(fā)展歷程，總結(jié)了紅外高光譜成像傳感器的特色和難點(diǎn)，并探討了可能的解決途徑。在此基礎(chǔ)上，介紹了紅外高光譜成像在氣體探測(cè)中的機(jī)理、模型和部分實(shí)例，指出紅外高光譜成像技術(shù)是未來(lái)有望解決大氣環(huán)境精細(xì)監(jiān)測(cè)和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)急管理最有利的手段之一。最后，還展望了紅外高光譜成像技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

紅外高光譜成像傳感器的發(fā)展

傳統(tǒng)的高光譜成像遙感一般指覆蓋0.4~2.5μm的高光譜成像儀，傳感器接收的能量主要是地表反射的太陽(yáng)輻射。紅外高光譜則通常覆蓋3.0~12.5μm譜段的高光譜成像儀。不同于0.4~2.5μm譜段的高光譜成像儀圍繞精細(xì)分光組件和高性能面陣探測(cè)器的發(fā)展而開(kāi)展，紅外高光譜成像儀的發(fā)展則重點(diǎn)關(guān)注如何抑制紅外背景輻射。從成像儀的組成來(lái)說(shuō)，抑制紅外輻射的低溫制冷模塊和紅外分光模塊占據(jù)了主要空間和質(zhì)量。在高光譜成像儀傳感器的發(fā)展史上，早期的儀器主要集中于歐美國(guó)家。

國(guó)內(nèi)外典型傳感器

1986年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）下屬的噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室（JPL）成功研制經(jīng)典儀器機(jī)載可見(jiàn)光近紅外成像光譜（AVIRIS），相比傳統(tǒng)多光譜的遙感，AVIRIS在光譜解析方面表現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)了遙感定量化的發(fā)展。隨著實(shí)際應(yīng)用的深入，地質(zhì)勘查科學(xué)家們也逐漸意識(shí)到僅依靠0.4~2.5μm的反射光譜在解析全部地表礦物種類方面仍有提升空間，紅外高光譜成像儀便應(yīng)運(yùn)而生。

我國(guó)紅外高光譜遙感的發(fā)展要晚于歐美國(guó)家。從“十五”計(jì)劃開(kāi)始，國(guó)家科技部開(kāi)始支持熱紅外高光譜成像技術(shù)研究。“十二五”期間，在科技部的支持下，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制了我國(guó)第一臺(tái)熱紅外高光譜成像儀樣機(jī)。在“高分”專項(xiàng)航空全譜段多模態(tài)成像光譜儀項(xiàng)目的支持下，項(xiàng)目組進(jìn)一步完善了熱紅外高光譜成像樣機(jī)的工程化水平，形成了機(jī)載熱紅外高光譜成像系統(tǒng)（ATHIS）。在原有技術(shù)體系基礎(chǔ)上，2020年，項(xiàng)目組成功研制了空間高分辨紅外高光譜成像儀（SIHIS）的研制，SIHIS覆蓋了包括中波（3~5μm）和長(zhǎng)波（8~12.5μm）的紅外區(qū)主要大氣窗口。

圖1 國(guó)內(nèi)外主要紅外高光譜成像儀照片

技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

從光譜分辨率來(lái)看，已有的大部分紅外高光譜成像儀光譜分辨率均在50nm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(kāi)展氣體探測(cè)時(shí)，光譜分辨率一般要優(yōu)于20nm，并且光譜絕對(duì)精度要優(yōu)于1nm。

從空間分辨率來(lái)看，機(jī)載設(shè)備的空間分辨率一般在毫弧度級(jí)，星載儀器方面，太陽(yáng)同步星載的空間分辨率一般在10~50m分辨率量級(jí)。

從輻射分辨率來(lái)看，對(duì)于光柵分光的儀器來(lái)說(shuō)，采用液氮或液氦制冷的儀器輻射分辨率一般都優(yōu)于0.1K，采用斯特林制冷的儀器一般在0.1~0.2K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(zhǎng)波波段。

總體來(lái)說(shuō)，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(cè)領(lǐng)域仍然有較大應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)。在民用領(lǐng)域，目前發(fā)展的基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的非制冷探測(cè)器型紅外高光譜成像儀，輻射分辨率往往只能到1K量級(jí)，在很多領(lǐng)域都難以應(yīng)用。

綜上所述，紅外高光譜成像儀的發(fā)展應(yīng)繼續(xù)集中在突破紅外精細(xì)分光、低暗電流高靈敏度探測(cè)器、低溫光學(xué)與背景輻射抑制技術(shù)，研制出體積質(zhì)量更小，光譜分辨率、空間分辨率、輻射分辨率更加優(yōu)異的傳感器。

紅外高光譜成像氣體探測(cè)

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(bào)道中，地質(zhì)勘探和大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)都是必不可少的需求。紅外高光譜成像可以在遠(yuǎn)距離、大范圍的約束下實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的種類、形態(tài)、濃度等進(jìn)行綜合探測(cè)，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(cè)領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

紅外高光譜氣體探測(cè)機(jī)理

當(dāng)紅外譜段的光線穿透氣體時(shí)，如果入射紅外光由頻率決定的光子能量與氣體分子中兩能級(jí)的能量之差相等時(shí)，氣體分子將吸收光子能量，從初始能級(jí)躍遷到能量更高的能級(jí)，從而使得入射紅外光的特定頻率成份被吸收，也使得不同成份的氣體擁有不同的氣體吸收光譜。幾乎所有的氣體都有這樣的“指紋”光譜譜線，這也是光學(xué)手段開(kāi)展氣體成份識(shí)別的基本物理原理，圖2給出了不同氣體成份對(duì)應(yīng)的紅外吸收光譜譜線。

圖2 不同氣體紅外吸收光譜

氣體煙羽檢測(cè)與濃度反演

理想的紅外氣體探測(cè)過(guò)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(shí)現(xiàn)探測(cè)。如圖3和4所示，紅外高光譜探測(cè)氣體的方式主要有空基和地基兩種?？栈綔y(cè)一般是直視或斜視，地基探測(cè)一般水是平觀測(cè)。無(wú)論采用哪種探測(cè)方式，它們的輻射傳輸過(guò)程都基本相同。

圖3 空基平臺(tái)氣體煙羽探測(cè)示意圖

圖4 地基平臺(tái)氣體煙羽探測(cè)示意圖

紅外高光譜成像氣體探測(cè)效果

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

圖5紅外高光譜成像儀氣體探測(cè)的實(shí)際案例

結(jié)束語(yǔ)

盡管存在諸多問(wèn)題，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，紅外高光譜成像技術(shù)已取得了重要成果。行百里者半九十，作為一種通用的高技術(shù)遙感手段，在未實(shí)現(xiàn)星載傳感器的全球定量觀測(cè)前都不能算是質(zhì)的飛越。隨著應(yīng)用需求的推進(jìn)，特別是目前我國(guó)“雙碳”計(jì)劃的深入實(shí)施，對(duì)大氣環(huán)境的精細(xì)監(jiān)測(cè)需求越來(lái)越迫切，未來(lái)紅外高光譜成像技術(shù)的發(fā)展將由技術(shù)推進(jìn)型逐步邁向應(yīng)用推進(jìn)型。一方面，突破紅外精細(xì)分光、低暗電流紅外面陣探測(cè)器、深低溫光學(xué)系統(tǒng)等核心技術(shù)，研制出光譜分辨率達(dá)到甚至超過(guò)λ/500的星載高性能遙感儀器，獲取可用的星載高光譜紅外遙感數(shù)據(jù)。另一方面，繼續(xù)深挖紅外高光譜遙感數(shù)據(jù)處理，拓展應(yīng)用模式，深入研究紅外高光譜信息與待探測(cè)物質(zhì)成分的深入內(nèi)在物理聯(lián)系，提升探測(cè)準(zhǔn)確度。在大數(shù)據(jù)分析技術(shù)飛速發(fā)展的今天，紅外高光譜成像技術(shù)將大有可為。

該項(xiàng)目獲得了173基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目和上海市科學(xué)儀器研發(fā)專項(xiàng)的資助。