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來源:賽斯拜克 發(fā)表時間:2023-09-19 瀏覽量:1007 作者:awei
隨著科技的不斷發(fā)展,光譜成像技術(shù)在氣體測量領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。其中,紅外高光譜成像儀因其具有的高精度、高靈敏度和非接觸性等優(yōu)勢,成為了氣體光譜測量中的重要工具。本文將介紹紅外高光譜成像儀的原理及其在氣體光譜測量中的應(yīng)用情況。
一、紅外高光譜成像儀的工作原理
紅外高光譜成像儀是一種結(jié)合了光譜學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和信息科學(xué)等多學(xué)科技術(shù)的儀器。它通過接收物體發(fā)射的紅外光線,測定其輻射能量和輻射速率,并通過對這些數(shù)據(jù)的分析,得到物體的化學(xué)成分、溫度和厚度等信息。
紅外高光譜成像儀主要由光學(xué)系統(tǒng)、探測器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機等組成。其工作原理是將待測氣體樣本置于光學(xué)系統(tǒng)中,通過反射、吸收和透射等方式對紅外光線進行調(diào)制。調(diào)制后的光線被探測器接收并轉(zhuǎn)換為電信號,這些電信號隨后被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,最后由計算機進行處理和分析。
二、紅外高光譜成像氣體探測
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)用報道中,地質(zhì)勘探和大氣環(huán)境監(jiān)測都是必不可少的需求。紅外高光譜成像可以在遠距離、大范圍的約束下實現(xiàn)對氣體的種類、形態(tài)、濃度等進行綜合探測,尤其是具備幾何形態(tài)的成像能力,相比傅里葉紅外光譜,在精細環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域具有獨特優(yōu)勢。
紅外高光譜氣體探測機理
圖2 不同氣體紅外吸收光譜
氣體煙羽檢測與濃度反演
理想的紅外氣體探測過程以朗伯定律作為基本定律,只要背景和氣體存在溫差,就可實現(xiàn)探測。如圖3和4所示,紅外高光譜探測氣體的方式主要有空基和地基兩種??栈綔y一般是直視或斜視,地基探測一般水是平觀測。無論采用哪種探測方式,它們的輻射傳輸過程都基本相同。
圖3 空基平臺氣體煙羽探測示意圖
圖4 地基平臺氣體煙羽探測示意圖
紅外高光譜成像氣體探測效果
目前,比較成熟的主要是紅外高光譜成像技術(shù)的簡化版——紅外多光譜成像技術(shù)產(chǎn)品,如美國的Rebellion GCI(Gas Cloud Imaging),其時間分辨率可以達到15Hz,已接近視頻級。紅外高光成像儀則更多的是用于實驗測試研究。圖5展示了MAKO、HyTES和ATHIS在氣體探測方面的應(yīng)用案例。
圖5 紅外高光譜成像儀氣體探測的實際案例
三、紅外高光譜遙感成像的技術(shù)發(fā)展與氣體探測應(yīng)用
通過獲取光譜信息來探知物質(zhì)特性已在眾多領(lǐng)域成功實踐。上世紀(jì)80年代,高分辨率光譜信息(一般認(rèn)為光譜分辨率為波長的百分之一以內(nèi))獲取技術(shù)在對地觀測領(lǐng)域得到應(yīng)用,逐步形成了高光譜遙感。高光譜遙感的優(yōu)勢在于它可獲得精細的地物光譜信息(也可以認(rèn)為是圖譜信息),具有分辨更多地物類型和反演更多地物特性的能力。高光譜成像儀是獲取高光譜遙感數(shù)據(jù)的專用傳感器,主要由前光學(xué)(物鏡)、狹縫、分光器、探測器等部件組成。其中,分光器是獲得精細光譜的核心部件,也是高光譜成像儀與其他光學(xué)傳感器最大的區(qū)別。
據(jù)不完全統(tǒng)計,截止到2021年,全球不同科研機構(gòu)和高科技企業(yè)先后共研制了12款典型的對地觀測紅外高光譜成像儀。其中,最早的紅外高光譜成像儀是美國宇航公司(Aerospace Corporation)1995年研制的空間增強型寬譜段陣列光譜儀(Spatially enhanced broadband array spectrograph system, SEBASS)。我國紅外高光譜遙感技術(shù)發(fā)展晚于歐美,“十五”開始,科技部開始支持中科院上海技術(shù)物理研究所開展熱紅外高光譜成像技術(shù)的機理研究,“十二五”期間,在科技部重點項目的支持下,中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制了我國第一臺機載熱紅外高光譜成像儀樣機,在“高分”專項航空全譜段多模態(tài)成像光譜儀項目支持下,進一步完善了機載樣機的工程化水平,形成了機載熱紅外高光譜成像系統(tǒng)(Airborne thermal-infrared hyper-spectral imaging system,ATHIS)。在原有技術(shù)體系基礎(chǔ)上,2020年成功研制了空間高分辨紅外高光譜成像儀(Space-borne infrared hyper-spectral imaging system,SIHIS),SIHIS覆蓋中波(3~5 μm)和長波(8~12.5 μm)的紅外大氣窗口。
表1 國內(nèi)外主要紅外高光譜成像儀
(a) SEBASS
(b) AHI
(c) LWHIS
(d) Hyper-Cam
(e) MAKO
(f) MAGI
(g) Sieleters
(h) AISA OWL
(i) HyTES
(j) MAKO升級版
(k) ATHIS
(l) SIHIS
圖2 ATHIS在浙江舟山開展飛行實驗
圖3 裝載運12飛機后的艙內(nèi)照片
ATHIS于2016年研制成功,并在浙江舟山、海南東方、河北雄安新區(qū)、浙江東陽橫店等多個區(qū)域開展了航空遙感應(yīng)用實驗。ATHIS儀器設(shè)計為3臺指標(biāo)相同的熱紅外高光譜相機以視場外拼接方式實現(xiàn)40°觀測視場,其單臺相機的光學(xué)視場在14°左右。在分光技術(shù)路線的選擇上采用了平面閃耀光柵分光,為了減小光譜儀體積,設(shè)計為RT光譜儀構(gòu)。三臺同樣設(shè)計的RT光譜儀共同放置在一個低溫100K制冷的冷箱內(nèi)。ATHIS設(shè)計有機上定標(biāo)裝置,用于飛行過程中的儀器的輻射定標(biāo)。ATHIS采用探測器/光譜儀斯特林制冷方案,最終實測的140個成像波段平均靈敏度達到0.17 K。
表2 機載熱紅外高光譜成像儀ATHIS技術(shù)指標(biāo)
圖4 ATHIS在浙江東陽橫店飛行獲取的熱紅外影像圖
星載高分辨率紅外高光譜成像儀SIHIS在光學(xué)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、背景抑制方案和探測器均與ATHIS保持一致,采用了大口徑離軸三反式望遠鏡,空間分辨率達到30m@708 km,結(jié)合視場拼接技術(shù)實現(xiàn)了觀測幅寬60 km的指標(biāo)。SIHIS將譜段覆蓋拓展到了中波紅外譜段,共包括328個成像波段。在中波譜段,光譜分辨率達到20nm,靈敏度平均達到0.05 K@400K,在長波譜段,光譜分辨率達到60nm,靈敏度平均達到0.15 K@300K。SIHIS的總視場角為4.84°,未來有望開展空間演示驗證。
表3 星載高分辨率紅外高光譜成像儀SIHIS技術(shù)指標(biāo)
星載高分辨率紅外高光譜成像儀SIHIS在我國首次實現(xiàn)了中波紅外譜段的高光譜成像,下圖給出了該儀器對外成像的中紅外高光譜影像,從光譜曲線來看,可以清晰地識別4300nm附近的CO2強吸收,該技術(shù)有望為大氣環(huán)境碳排放精細監(jiān)測提供一種全新技術(shù)手段,在空間平臺實現(xiàn)十米量級分辨率的CO2排放大尺度全球監(jiān)測。
圖5 星載高分辨率紅外高光譜成像儀SIHIS地面實測中波高光譜影像
在氣體光學(xué)探測領(lǐng)域,3~14 μm的中長波紅外是氣體分子躍遷的“基頻”譜線段,相對位于可見光或者短波譜段的“合頻”、“倍頻”譜線段,其吸收深度要比前者深1~3個量級,利用該譜段開展氣體探測具有天然優(yōu)勢,下圖給出了典型氣體分子在紅外譜段的指紋光譜吸收曲線。紅外高光譜成像技術(shù)是未來有望解決大氣環(huán)境精細監(jiān)測和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)急管理最有利的手段之一?;谏鲜龌驹恚鳛橐慌_實用型紅外高光譜成像儀,ATHIS在氣體探測領(lǐng)域有著獨特優(yōu)勢,能實現(xiàn)氣體的多參量復(fù)合探測,能同時實現(xiàn)氣體種類識別、氣體擴散形態(tài)、氣體濃度分布、氣體擴散趨勢等參量探測,相對基于主動激光的氣體探測手段具有能成像的優(yōu)勢,相對基于被動傅里葉紅外的氣體探測手段具有能成像、高時效的特點。
圖6 典型氣體分子在紅外譜段的指紋光譜吸收曲線
圖7 利用ATHIS儀器對200米外SF6氣體進行的多參量探測實驗
以SF6(六氟化硫)為實驗氣體,課題組利用ATHIS儀器開展了氣體探測實驗,探測對象為SF6氣體,探測距離約200米,當(dāng)SF6氣體從氣罐中放出后,基于得到的紅外高光譜數(shù)據(jù)立方體數(shù)據(jù)分析,可以看到SF6氣體從低于背景溫度而表現(xiàn)出的吸收光譜形狀到溫度升高后表現(xiàn)出的發(fā)射光譜形狀的變化趨勢。這種解析能力與傳統(tǒng)單波段、多光譜紅外成像遙感相比,除了大大擴展了可探測識別的氣體種類的數(shù)量,也一定程度上使檢測污染氣體的像元處理方式變得簡單,從而使得反演得到的氣體濃度準(zhǔn)確度大大提高,有望解決復(fù)雜背景下氣體濃度與輪廓的探測,未來在能源安全生產(chǎn)領(lǐng)域提供一種獨特的技術(shù)手段,滿足危險氣體泄露提前預(yù)警的重大需求。