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

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。