红外高光谱成像仪对气体光谱测量的应用

来源：赛斯拜克发表时间：2023-09-19 浏览量：901 作者：awei

随着科技的不断发展，光谱成像技术在气体测量领域的应用日益广泛。其中，红外高光谱成像仪因其具有的高精度、高灵敏度和非接触性等优势，成为了气体光谱测量中的重要工具。本文将介绍红外高光谱成像仪的原理及其在气体光谱测量中的应用情况。

一、红外高光谱成像仪的工作原理

红外高光谱成像仪是一种结合了光谱学、物理学、化学和信息科学等多学科技术的仪器。它通过接收物体发射的红外光线，测定其辐射能量和辐射速率，并通过对这些数据的分析，得到物体的化学成分、温度和厚度等信息。

红外高光谱成像仪主要由光学系统、探测器、数据采集系统和计算机等组成。其工作原理是将待测气体样本置于光学系统中，通过反射、吸收和透射等方式对红外光线进行调制。调制后的光线被探测器接收并转换为电信号，这些电信号随后被数据采集系统转换为数字信号，最后由计算机进行处理和分析。

二、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

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

三、红外高光谱遥感成像的技术发展与气体探测应用

通过获取光谱信息来探知物质特性已在众多领域成功实践。上世纪80年代，高分辨率光谱信息（一般认为光谱分辨率为波长的百分之一以内）获取技术在对地观测领域得到应用，逐步形成了高光谱遥感。高光谱遥感的优势在于它可获得精细的地物光谱信息（也可以认为是图谱信息），具有分辨更多地物类型和反演更多地物特性的能力。高光谱成像仪是获取高光谱遥感数据的专用传感器，主要由前光学（物镜）、狭缝、分光器、探测器等部件组成。其中，分光器是获得精细光谱的核心部件，也是高光谱成像仪与其他光学传感器最大的区别。

图1 高光谱成像仪的基本组成

受大气层作用影响，对地遥感的光学传感器并不能探测所有谱段，被传感器探测到，能透过辐射的波段称为大气窗口。在光学频段，大气窗口包括0.4~2.5 μm，3.0~5.0 μm和8.0~12.5 μm三个主要光谱范围。传统高光谱遥感主要位于0.4~2.5 μm频段，传感器接收的能量主要是地物反射的太阳辐射。随着技术的发展和应用需求的拓展，仅依靠0.4~2.5 μm的反射光谱在解析地物种类、反演地表参数方面仍有提升空间，特别在大气遥感和气体反演领域，红外高光谱成像技术不可或缺。

红外高光谱成像仪主要覆盖3.0~5.0 μm和8.0~12.5 μm，不同于0.4~2.5 μm谱段高光谱成像仪围绕精细分光组件和高性能面阵探测器而展开研究，红外高光谱成像仪发展则重点关注如何抑制背景辐射而展开。从传感器的整体组成和重要性来说，抑制背景辐射的低温模组占据了主要空间和重量。在应用方面，红外高光谱遥感已在资源勘查、地表环境监测、大气环境监测等领域展示了独特优势。随着相关技术进发展和需求推进，高光谱遥感向着全谱化、精准化、融合化的方向继续发展，红外高光谱遥感成为高光谱遥感当前科学研究热点。

本团队围绕红外谱段高光谱成像技术开展了全链条、系统化研究工作，在国内率先开展了物理原理和基础仿真工作，搭建了国内第一套热红外高光谱成像装置，“十二五”期间完成了国内首台机载热红外高光谱成像仪研制，目前已逐步开展业务化飞行，在星载仪器方面基于“离轴三反主望远镜+分色片通道分离+视场拼接+光谱仪/焦平面一体化制冷+复合定标”的技术路线，于2021年在国际上首次完成了星载高分辨率红外高光谱相机原型机研制，空间分辨率达到30米，成像幅宽达到60公里，共包含384个红外光谱通道。项目团队在发展红外高光谱成像技术的同时，也重点关注该技术在气体探测、矿物识别、地表温度发射率反演等领域的实际应用，目前项目组正和华为科技有限公司、摩库数据等企业合作开展基于红外光谱成像的危化气体红外高光谱监测原型机的开发工作，期望在化工园区安全生产方面提供一种全新的安全预警手段。

研究背景

3~14 μm的红外谱段是高光谱应用的重要谱段，区别于单波段或多波段红外成像，红外高光谱无须事先对待探测的物质设定假设的发射率参数，能够真实分离发射率与温度分离，红外高光谱遥感理应成为地球热红外遥感最基础的信息获取手段。受制于红外面阵探测器、深低温光学、高性能红外精细分光等关键技术，红外谱段的高光谱成像传感器研制难度极大，目前国际上还没有星载红外高光谱成像仪入轨实现对地观测和应用，国内外在机载红外高光谱成像领域投入了大量精力。

据不完全统计，截止到2021年，全球不同科研机构和高科技企业先后共研制了12款典型的对地观测红外高光谱成像仪。其中，最早的红外高光谱成像仪是美国宇航公司（Aerospace Corporation）1995年研制的空间增强型宽谱段阵列光谱仪（Spatially enhanced broadband array spectrograph system, SEBASS）。我国红外高光谱遥感技术发展晚于欧美，“十五”开始，科技部开始支持中科院上海技术物理研究所开展热红外高光谱成像技术的机理研究，“十二五”期间，在科技部重点项目的支持下，中国科学院上海技术物理研究所研制了我国第一台机载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支持下，进一步完善了机载样机的工程化水平，形成了机载热红外高光谱成像系统（Airborne thermal-infrared hyper-spectral imaging system，ATHIS）。在原有技术体系基础上，2020年成功研制了空间高分辨红外高光谱成像仪（Space-borne infrared hyper-spectral imaging system，SIHIS），SIHIS覆盖中波（3~5 μm）和长波（8~12.5 μm）的红外大气窗口。

表1 国内外主要红外高光谱成像仪

(a) SEBASS

(b) AHI

(d) Hyper-Cam

(e) MAKO

(f) MAGI

(g) Sieleters

(h) AISA OWL

(i) HyTES

(j) MAKO升级版

(k) ATHIS

(l) SIHIS

图1 国内外主要红外高光谱成像仪照片

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50 nm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20 nm，并且光谱绝对精度要优于1 nm。

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10~50 m分辨率量级。星载仪器的空间分辨率较高，一般需要较大口径的红外望远镜，这种情况下，只能采用光谱仪制冷的背景辐射抑制方案。和空间分辨率相关的另外一个指标是仪器观测视场，为了保证高作业效率（即幅宽），星载仪器都要求有较大的总视场角。针对这一问题，美国的星载样机MAGI设计有摆扫机构增大光学总视场角，SIHIS则是通过3个视场拼接的方式来增大总视场。

从辐射分辨率来看，对于光栅分光的仪器来说，采用液氮或液氦或制冷的仪器辐射分辨率一般都优于0.1 K，采用斯特林制冷的仪器一般在0.1~0.2 K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。这也说明长波的红外高光谱成像仪研制难度更大，无论是当前流行的MCT探测器，还是新兴的量子阱探测器和二类超晶格探测器，背景辐射都是影响仪器辐射分辨率的主要原因。除了继续探索降低背景辐射的技术之外，超低暗电流的新型探测器发展是红外高光谱成像仪发展的驱动之一。

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。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1 K量级，在很多领域都难以应用。在星载化上，作为一种有广阔前景的遥感技术，卫星遥感是红外高光谱遥感发展的必然趋势。

主要内容

光谱分辨率、空间分辨率、辐射分辨率（也称灵敏度）、时间分辨率集中体现了高光谱仪器在光谱、空间、辐射、重访周期四方面性能，直接决定了高光谱仪器的应用效果。红外高光谱遥感的应用场景主要为资源勘查、地表环境监测、大气环境监测等。星载红外高光谱成像仪的光谱分辨率需求是优于波长的1/200，空间分辨率达到几十米至米级，单个波段的探测灵敏度在达到0.2 K水平。

为实现上述综合技术指标，项目组提出了“离轴三反主望远镜+分色片通道分离+红外视场拼接+光谱仪/焦平面一体化制冷+在轨复合定标”的总体技术路线。以该技术链路为基础，课题组先后研制了机载热红外高光谱成像仪(ATHIS)和星载高分辨率红外高光谱成像仪（SIHIS）。

图2 ATHIS在浙江舟山开展飞行实验

图3 装载运12飞机后的舱内照片

ATHIS于2016年研制成功，并在浙江舟山、海南东方、河北雄安新区、浙江东阳横店等多个区域开展了航空遥感应用实验。ATHIS仪器设计为3台指标相同的热红外高光谱相机以视场外拼接方式实现40°观测视场，其单台相机的光学视场在14°左右。在分光技术路线的选择上采用了平面闪耀光栅分光，为了减小光谱仪体积，设计为RT光谱仪构。三台同样设计的RT光谱仪共同放置在一个低温100K制冷的冷箱内。ATHIS设计有机上定标装置，用于飞行过程中的仪器的辐射定标。ATHIS采用探测器/光谱仪斯特林制冷方案，最终实测的140个成像波段平均灵敏度达到0.17 K。

表2 机载热红外高光谱成像仪ATHIS技术指标

图4 ATHIS在浙江东阳横店飞行获取的热红外影像图

星载高分辨率红外高光谱成像仪SIHIS在光学设计、结构设计、背景抑制方案和探测器均与ATHIS保持一致，采用了大口径离轴三反式望远镜，空间分辨率达到30m@708 km，结合视场拼接技术实现了观测幅宽60 km的指标。SIHIS将谱段覆盖拓展到了中波红外谱段，共包括328个成像波段。在中波谱段，光谱分辨率达到20nm，灵敏度平均达到0.05 K@400K，在长波谱段，光谱分辨率达到60nm，灵敏度平均达到0.15 K@300K。SIHIS的总视场角为4.84°，未来有望开展空间演示验证。

表3 星载高分辨率红外高光谱成像仪SIHIS技术指标

星载高分辨率红外高光谱成像仪SIHIS在我国首次实现了中波红外谱段的高光谱成像，下图给出了该仪器对外成像的中红外高光谱影像，从光谱曲线来看，可以清晰地识别4300nm附近的CO2强吸收，该技术有望为大气环境碳排放精细监测提供一种全新技术手段，在空间平台实现十米量级分辨率的CO2排放大尺度全球监测。

图5 星载高分辨率红外高光谱成像仪SIHIS地面实测中波高光谱影像

在气体光学探测领域，3~14 μm的中长波红外是气体分子跃迁的“基频”谱线段，相对位于可见光或者短波谱段的“合频”、“倍频”谱线段，其吸收深度要比前者深1~3个量级，利用该谱段开展气体探测具有天然优势，下图给出了典型气体分子在红外谱段的指纹光谱吸收曲线。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。基于上述基本原理，作为一台实用型红外高光谱成像仪，ATHIS在气体探测领域有着独特优势，能实现气体的多参量复合探测，能同时实现气体种类识别、气体扩散形态、气体浓度分布、气体扩散趋势等参量探测，相对基于主动激光的气体探测手段具有能成像的优势，相对基于被动傅里叶红外的气体探测手段具有能成像、高时效的特点。

图6 典型气体分子在红外谱段的指纹光谱吸收曲线

图7 利用ATHIS仪器对200米外SF6气体进行的多参量探测实验

以SF₆（六氟化硫）为实验气体，课题组利用ATHIS仪器开展了气体探测实验，探测对象为SF₆气体，探测距离约200米，当SF₆气体从气罐中放出后，基于得到的红外高光谱数据立方体数据分析，可以看到SF₆气体从低于背景温度而表现出的吸收光谱形状到温度升高后表现出的发射光谱形状的变化趋势。这种解析能力与传统单波段、多光谱红外成像遥感相比，除了大大扩展了可探测识别的气体种类的数量，也一定程度上使检测污染气体的像元处理方式变得简单，从而使得反演得到的气体浓度准确度大大提高，有望解决复杂背景下气体浓度与轮廓的探测，未来在能源安全生产领域提供一种独特的技术手段，满足危险气体泄露提前预警的重大需求。

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