红外高光谱成像仪的系统测试标定与飞行验证

红外谱段是高光谱遥感中非常有用的波段,由于红外波段的能量小、焦平面探测器研制难、红外背景辐射大等原因,红外谱段的高光谱成像系统并不常见,目前仍然处于仪器发展阶段.本文介绍了一台机载热红外高光谱成像仪,它在8.0~12.5μm的光谱范围内可得到180个波段的光谱信息,光谱分辨率优于44 nm,光谱定标精度优于1 nm.仪器观测总视场14°,空间分辨率优于1 mrad,噪声等效温差优于0.2 K@300 K(平均).仪器于2015年5月开展了实验室辐射标定和光谱标定,并于2015年6月在中国浙江舟山开展了飞行试验,获取了指定区域的红外高光谱图像,处理结果表明红外高光谱数据立方体可以有效地反演地表温度和地表辐射率,反演的发射率曲线可以用于地物识别.     

短波红外成像光谱仪性能检测与定标装置

描述了短波红外成像光谱仪研制中所涉及的系统总体性能检测与定标装置。短波红外成像光谱仪是一台基于棱镜-光栅-棱镜(PGP)组合分光的、推帚式成像的航空成像光谱仪,其探测波段为1000～2500nm,视场角为24°。短波红外成像光谱仪的系统总体性能检测贯穿于仪器研制的全过程中,包括对仪器关键器件的测试,仪器的空间分辨率、视场角及内方位元素等总体指标的测试;短波红外成像光谱仪的定标包括实验室及外场的光谱及辐射定标,它们是仪器研制成功及深入应用的重要保证。最后,介绍了仪器在实验室成像及航空实验成像状况。     

红外光谱辐射计镜头视场角测量研究

红外光谱辐射计作为经典的航空发动机红外辐射强度测试仪器,具有光谱分辨率高、测量精度高、响应快、光谱范围广等优点。在使用过程中,红外光谱辐射计需要根据被测目标尺寸及测量距离选择合适的镜头,利用测量的光谱辐射亮度乘以镜头视场的面积,才能得到发动机红外辐射强度。由于加工及装配误差,红外光谱辐射计配套镜头的视场角会偏离其出厂默认值,导致测试偏差。设计了一种红外光谱辐射计镜头视场角测量方法,制作了测量装置,并测量了VSR-3型红外光谱辐射计的标准镜头的视场角。测量结果表明：镜头有效视场角与出厂默认角度存在4%的偏差。通过修正该偏差,能够提高航空发动机红外辐射强度测量精度。     

基于Offner凸面光栅星载CO2成像光谱仪光学系统设计

星载CO₂成像光谱仪具有图谱合一、高空间分辨率、高时间分辨、非接触和长期监测的优点,已成为监测全球温室气体变化的重要手段之一。为解决大视场因入射狭缝较大,信噪比低,成像质量不佳的问题,文中对Offner成像光谱仪的光学系统初始结构设计提出了一种新方案。该方案基于在30 mm狭缝处发出的子午光线、弧矢光线在中心波长处相切,提高入射光线在整个光谱范围内的利用率。利用光学设计软件,设计在1594~1619 nm波段范围内,F数为2.5,光谱系统分辨率为0.1 nm的成像光谱仪。设计结果表明,点列图均方根（RMS）半径小于5 μm,系统在33 lp/mm处的传递函数优于0.7。此外,该系统采用像元合并（即扩展像元）的方法,进一步提高光谱信号的探测强度,该设计方案能够满足应用于星载CO₂成像光谱仪大视场、高光谱分辨率和高信噪比的遥感探测需求。     

精准农业观测高数值孔径短波红外成像光谱仪光学系统

研究了一种在1.0~2.5 m短波红外波段上可用于机载精准农业观测的成像光谱仪光学系统。研究分析了用于精准农业探测所需的成像光谱仪科学性能参数,着重改进了Dyson成像光谱仪系统并获得了完善的消像散条件,使得其各组成部分在沿光轴方向和垂直光轴方向均具备足够的空间,确保了狭缝、探测器和光学镜片的光机结构放置。设计成像光谱仪具备良好光学性能,光学系统F数为1.5,视场28,狭缝长度25 mm,光谱分辨率12.7 nm,空间分辨率1 mrad,系统像差得到充分校正,公差比较宽松。该系统的研究将为精准农业遥感应用提供一种思路。     

成像光谱仪的离轴反射式光学系统设计

高分辨率成像光谱仪要求光学系统在宽视场和宽波段范围内具有高的空间分辨率和光谱分辨率。根据同轴三反光学系统初级像差理论计算初始结构,并分别将孔径光阑置于主镜、次镜和三镜焦点,通过光阑和视场离轴,设计了无中心遮拦的离轴反射式光学系统。其光谱范围为1.0~2.5 m,焦距f=1 600 mm,相对孔径为1/ 5,视场角为6.861.48,满足成像光谱仪宽视场、大相对孔径离轴三反消象散光学系统的设计指标。     

全视场非扫描超光谱成像系统研究

研究了一种新型超光谱成像系统,系统中采用光纤变维器,使该系统不需进行线扫描就能获得全视场目标景物的二维图像以及相应光谱信息.系统中没有扫描移动部件,能够实现对瞬变目标景物拍摄像和光谱.模拟实验表明,该全视场非扫描超光谱成像系统能够达到要求的光谱分辨率（Δσ＝100 cm^-1）.     

红外高光谱成像系统光学设计及检测

为了建立一套星载红外精细分光光谱成像系统的地面实验装置,设计了一套红外高光谱推扫式成像光学系统.该系统由望远物镜和分光计两部分组成,选用锗和硒化锌两种红外材料,采用平面闪耀光栅分光,光机系统后接制冷型红外面阵探测器.其光谱覆盖7.7～9.3μm(根据红外焦平面阵列FPA的光谱响应范围而定),视场角达12°,光谱分辨率为54 nm,空阃分辨为0.75 mrad,光机模块尺寸为100min×300mm×100mm.整机的测试结果表明:光学系统成像质量完好,光谱分辨率SRF达到了预先设计的要求值,噪声等效温差NEDT接近300mK.该系统的设计及整机测试为红外高光谱成像系统的进一步实用化提供了技术基础.     

红外超光谱成像傅里叶变换光谱仪与色散光谱仪的性能比较

本文对用于红外超光谱成像的扫描型色散光谱仪和凝视型傅里叶变换光谱仪的以信噪比为基础的性能进行了比较。由这两种光谱仪的焦平面收集的信息有很大的差异。在扫描型色散光谱仪中,二维焦平面列阵在一个方向上收集空间信息,在另一个方向上收集光谱信息,而第二个空间维度则由扫描机械及时扫出。傅里叶变换光谱仪的二维焦平面列阵在收集二维空间信息的同时收集光谱(干涉图)信息。对于这两种仪器来说,信号的形成以及从焦平面数据收集到最后超光谱数据立方体的噪声传播都迥然不同,因此使用的信号和噪声模型也有很大的差异。本文把噪声等效光谱辐射率(NESR)作为一个品质因数,对使用同一种光学系统、具有相同的空间分辨率、相同的图像面积、相同的光谱分辨率、相同的光谱范围和相同的成像时间的两种仪器的性能进行了比较。在光子噪声限条件(通过适当设计新式的红外焦平面列阵,这种条件已能达到)下,与非成像傅里叶变换光谱仪有关的传统多路传输和吞吐量优势化为乌有,本文将对其原因进行分析。本文讨论两种仪器的二维焦平面列阵的特性,例如帧速率和动态范围等,并说明两者之间的差异为何如此之大。最后,本文总结了这两种仪器的信号处理要求。     

红外超光谱成像偏振计

美国犹他州立大学空间动力学实验室正在制造一台红外超光谱成像偏振计(HIP).这台红外超光谱成像偏振计是设计用来在2.7μm水波段对来自云顶的反向散射太阳光进行高空间和光谱分辨率偏振测定的,它将装在红外特征技术实验飞行飞机(FISTA)--一架空军KC-135飞机上飞行.这是一台将超光谱推帚式成像技术与高速固态偏振测定方法相结合、尽可能多地采用市场上畅销的元部件并利用一种光学模型设计快速制成原型的原理验证敏感仪.它是以一台窗口可选择的256×320InSb摄像机、一台固态铁电液晶(FLC)偏振计和一个透射式衍射光栅为基础的.     

Offner型消热差中波红外成像光谱仪设计

为了满足中波红外光谱分析的需要,设计了Offner型中波红外成像光谱仪。在分析红外系统消热差方程的基础上,明确通过选择不同热特性材料的合理组合可以设计出合理的消热差光学结构;在分析Offner结构原理的基础上,建立了一种简化的初始结构求解过程以及采用光学仿真软件进行优化的设计方法。最后,利用该方法设计了工作波段为3~5 m的推扫式成像光谱仪,并进行了一体化消热差设计,工作温度范围为-40~100℃,全视场范围内的弥散斑小于30 m,调制传递函数值在空间截止频率16.7 lp/mm处均大于0.35,光谱分辨率小于15.6 nm,具有较好的光谱分光性能。     

HGH红外系统公司展示新型300万像素红外全景警戒摄像机

2008年9月15日至17日,在美国佐治亚州坎布里奇举办的ASIS International活动中,一家热成像产品制造商HGH红外系统公司展示了一台叫做IR Revolution 360的新型全景警戒红外摄像机。这台新型全景红外摄像机采用了一个垂直视场角为20°、水平视场角为360°的全景探测器,其像素有300万个（10,000×288）,这是前所未有的。     

宽幅长波红外高光谱扫描成像系统的设计

为了满足宽幅长波红外高光谱成像需求,基于光导型碲镉汞线列探测器和平面闪耀光栅,提出了一种在长波红外8~12.5 μm范围内具有150个连续波段、30°成像视场角、基于地面应用的低成本、轻小型高光谱扫描成像系统的设计方法。该系统由光栅扫描机构和视场扫描机构组成,两机构同步控制以实现精细分光和宽幅成像功能。推导了光栅扫描角度与探测器接收单色光的波长、视场扫描角度与成像视场角间的关系式。在分析扫描系统扫描定位精度的基础上,设计了一套以步进电机为运动核心,采用“摆扫定位+停止成像”工作模式的扫描系统。实验表明,该扫描系统可满足系统视场定位精度及分光精度的要求。获取的硅碳棒在长波红外波段的发射光谱曲线表明该系统的设计合理有效。该扫描系统的设计方法对长波红外高光谱系统的设计具有一定的指导意义。     

阶梯光栅光谱仪

德国柏林激光器技术公司生产一种阶梯光栅光谱仪,该光谱仪通过激光诱导等离子体光谱学同时分析元素。仪器在175至750nm的波长范围内探测元素,在真空紫外中的光谱分辨率为35000,在紫外／可见光／近红外范围内的光谱分辨率为15000。两台对称排列的摄谱仪的光谱照射一个共用探测器。这两台摄谱仪的入射狭缝、阶梯光栅、棱镜和成像光具的参数可自由确定。     

星载红外双谱段高光谱成像仪光学系统设计

针对国内外星载红外高光谱成像数据空白和迫切应用需求,本文提出了星载红外双谱段高光谱成像技术方案,实现高空间分辨率、高光谱分辨率和高温度灵敏度成像。工作谱段覆盖中波红外(3～5μm)和长波红外(8～125μm),中波和长波红外谱段的光谱分辨率分别为50nm和100nm,空间分辨率为60m,成像幅宽为60km,噪声等效温差优于02 K。分析确定了红外高光谱成像仪的光学系统技术指标,设计了望远光学系统、光谱成像光学系统和高光谱成像仪整体光学系统。望远光学系统采用自由曲面离轴三反设计方案,实现了大相对孔径像方远心和低畸变设计,相对畸变小于0135;光谱成像光学系统采用Wynne Offner结构形式,实现了高成像质量、轻小型化设计,不同波长的传函均接近衍射极限。设计结果表明,星载红外双谱段高光谱成像仪的光学系统成像质量优良,结构布局紧凑合理,具有较强的工程应用价值。     

用于SPITZER空间望远镜的红外列阵摄像机

红外列阵摄像机(IRAC)是Spitzer空间望远镜中的三台焦平面仪器之一。这是一台四通道摄像机,能够同时在3．6μm、4．5μm、5．8μm和8．0μm波长处获取宽带图像。四个通道成对地(3．6μm和5．8μm为一对,另一对为4．5μm和8μm)观测焦平面中两个靠得很近的5．2′×5．2′的视场。摄像机中的四个探测器列阵的尺寸均为256×256元,两个较短波长的通道使用InSb探测器,而两个较长波长的通道则使用Si：As IBC探测器。由于红外列阵摄像机具有高灵敏度、宽视场和四色成像功能,因此是一台得力的观察仪器。本文简单介绍该仪器在飞行中的科学、技术和工作性能．     

热红外相机光机系统设计

以气象观测应用为目标,提出一种基于非制冷微测辐射计的热红外波段相机光学设计方案,该光学系统焦距60 mm,光谱范围8～14 μm,视场角7°.综合三片分离式结构和双高斯光学结构设计了红外物镜,优化后物镜成像质量达到衍射极限.进行了物镜的无热化结构设计,分析结果表明在-20℃～60℃范围内,物镜成像弥散斑直径接近爱里斑直...     

基于LCTF的大幅面高分辨率多光谱仪光学系统设计

将液晶可调滤光片（LCTF）应用到真彩色多光谱图像采集中,设计了一款大面阵、高分辨率、轻小型的多光谱成像系统。系统利用LCTF 空间分辨率和光谱分辨率高、波长选择灵活、调谐时间短等特点,可实现幅面大小约210 mm148 mm,分辨率达到350 ppi 的多光谱图像采集,工作谱段为420~720 nm,光谱分辨率为10 nm。结果表明,该成像系统在空间频率为91 lp/mm 时,31 个波段处轴上0 视场和轴外1.0 视场的传递函数均0.30,全视场畸变0.1%,成像质量良好,可用于大面阵、高分辨率多光谱图像的采集与分析。     

天基6.5 m衍射综合孔径红外射电望远镜

针对天文观测和深空探测需求，提出了天基激光本振6.5 m衍射综合孔径红外射电望远镜的概念和形式，给出了激光本振阵列探测器形式，设计了基于衍射光学系统的综合孔径红外射电望远镜结构。该望远镜采用孔径渡越补偿信号处理方法扩大光谱范围，具有光学系统复杂度低、体积小和质量轻的特点。给出了系统主要参数和成像仿真结果，当中心波长为1.55μm时，角分辨率约为0.24μrad，最大不模糊视场角度约为1.55 mrad，光谱范围为0.2μm，其探测灵敏度要比传统6.5 m口径望远镜高2倍，可观测的极限星等优于21。     

面阵摆扫型无人机载大视场高光谱成像技术研究

提出了一种面阵摆扫型无人机载大视场高光谱成像技术,控制基于马赛克型滤光片分光的画幅式高光谱相机在翼展方向进行扫描实现大视场、高光谱分辨率成像。进行外场飞行试验,获取了像质清晰的大视场、高光谱分辨率对地观测图像,飞行作业效率为8.64 km2/h,较单相机成像,作业效率提高约3.4倍。系统光机结构简单,体积、重量优势明显,在无人机高光谱遥感方面应用前景广阔。研究成果对推动无人机载光谱成像技术向大视场、高光谱分辨率方向发展具有一定的参考价值。