一种实用型热红外高光谱成像仪载荷系统的制作方法
一种实用型热红外高光谱成像仪载荷系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高光谱成像技术，具体是指一种实用型热红外高光谱成像仪载荷系 统，它应用于地质矿物勘探、污染气体监测、特征目标精细识别等领域。
【背景技术】
[0002] 成像高光谱技术的出现是遥感界的一场革命，它使本来在宽波段遥感中不可探测 的物质在高光谱遥感中能被探测，其重要意义已经得到世界范围内的公认，相对于可见光 和短波红外，在热红外波段进行高光谱遥感研宄具有独特优势。受技术条件限制，其发展一 直相对缓慢，近年来随着技术的进步，高光谱红外传感器的研制和应用才逐渐被世界各个 国家和机构所重视，包括美国、欧盟在内的多个组织和部门都在进行热红外高光谱成像传 感器的研制，。
[0003] 对高光谱成像仪而言，分光方式是系统的设计的关键。一般而言，高光谱成像仪的 分光方式包括棱镜分光、光栅分光、傅里叶变换分光等方式。其中棱镜和光栅是常见的分 光方式，大多数的航空、航天平台的高光谱成像仪均采用此方案，可以通称为色散型分光方 式，傅里叶分光方式是通过光谱像元干涉图与光谱图之间的傅里叶变换关系，通过测量干 涉图和对干涉图进行傅里叶变换来获得物体的光谱信息，该方式结构复杂。对于可见与短 波红外谱段的高光谱成像仪而言，色散型分光和傅里叶分光国内均有成熟的设备（如机载 实用型模块化成像光谱仪0MIS、环境卫星载超光谱成像仪）。
[0004] 目前我国无论是机载平台还是星载平台尚无实用化运行的热红外高光谱成像仪 载荷，由于其涉及到红外背景的抑制及低温光学的等技术难题，无论采用色散型分光方案 还是傅里叶分光方案，其系统设计与可见光、短波红外谱段的高光谱成像仪均有着极大的 不同，其系统设计方案多处于实验室研宄阶段。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种实用型热红外高光谱成像仪载荷系统，解决红外背景的抑制及 低温光学的工程实现技术难题。
[0006] 本发明热红外高光谱成像仪工作于热红外谱段的高光谱成像仪载荷系统，它采用 色散型分光方式，利用平面光栅+三反射镜组作为分光部件，载荷系统除前置望远镜外其 它部件均工作于低于100K的深底纹环境下，红外焦平面探测器采取特殊冷屏结构设计，能 够抑制红外背景辐射，使系统可以获得目标在8. 0~12. 5ym谱段之间多于180个的高光 谱图像信息，是一种新型的可实用化热红外高光谱成像仪载荷系统。
[0007] 本发明的热红外高光谱成像仪载荷系统结构如附图1所示，它包括实时定标装置 1、前置望远镜2、低温冷箱锗窗口 3、狭缝4、低温光谱仪5、低温冷箱6和热红外焦平面探测 器组件7。目标景物的热红外辐射光谱信息经前置望远镜透过锗窗口后会聚于狭缝处，狭缝 用于限制入射光的观测瞬时视场，之后经过低温光谱仪的分光，将入射的目标的热红外全 谱段光谱信号均匀色散开来，然后不同波段的光谱信息会聚于热红外焦平面探测器组件对 应的焦面位置。图1中的狭缝4、低温光谱仪5、热红外焦平面探测器组件7均位于低温冷 箱6内部，在系统处于常温常压环境时，冷箱内部为高真空状态，其内部部件由2台斯特林 制冷机闭环制冷到100K，热红外焦平面探测器组件的光敏面由其自带的小型制冷机制冷到 60K。锗窗口位置位于低温冷箱上，正对前置望远镜，保证经过前置望远镜会聚的目标光信 息进入冷箱内部不受遮挡，它采用真空法兰和低温冷箱进行密封连接，工作于常温状态。
[0008]当热红外高光谱成像仪载荷系统工作时，可以获取的目标一个扫描条带的高光谱 信息，通过遥感平台（机载或者星载）推扫的方式获得目标的三维图谱信息。
[0009] 本发明的优点在于：
[0010] (1)、通过低温冷箱的设计降低仪器自身光机系统的红外背景辐射，这样目标的热 红外高光谱信号不至于被淹没在仪器自身的红外背景辐射中，使得采用色散型分光方式的 高光谱成像仪器在热红外谱段进行探测技术上变得可能；
[0011] (2)、系统设计前置望远镜不进行低温制冷，这样对于本发明在具体实施中提出的 空间分辨率为lmrad、视场18度的适合于机载运行的系统在直接更换望远镜后实现更高的 分辨率（对应视场变小），从而更加适合卫星平台的高分辨率观测需求；
[0012](3)、系统分光部件设计为三反射镜+平面光栅的结构，它放置于一个真空箱体内 部，分光部件工作于低温100K以下，该部件结构小巧，采用2台中功率的较大冷量的斯特林 制冷机即可实施制冷目标，大大降低了大规模低温系统研制的复杂性；
[0013] (4)、系统设计有实时定标装置，该装置放置于前置望远镜之前，通过转动部件的 驱动，对系统实施全路径福射定标，可以提尚机载或星载系统的定量化精度。
【附图说明】
[0014] 图1是本发明的系统原理示意图；图中：1一实时定标装置；2-前置望远镜；3锗 窗口；4一狭缝；5-低温光谱仪；6-低温冷箱；7-热红外焦平面探测器组件。
[0015]图2是数据采集系统的组成模块图。
[0016]图3是实施后研制的热红外高光谱成像仪载荷系统样机照片。
[0017]图4是热红外高光谱成像仪载荷系统获取的4幅单波段的热红外高光谱图像，其 中：图（1)对应中心波长8. 5ym(光谱带宽50nm)、图⑵对应中心波长9. 5ym(光谱带宽 50nm)、图（3)对应中心波长10. 5ym(光谱带宽50nm)、图（4)对应中心波长11.5ym(光谱 带宽50nm)。
【具体实施方式】
[0018] 下面根据图1~图4给出本发明的一个较好的实施例，用以说明本发明的结构特 征，技术性能和功能特点，实施后的仪器照片如图3所示，仪器获取的外景图像如图4所示， 本实施方式并不限定本发明的范围。该系统的主要技术指标如下：
[0019] >光谱范围：8. 0 ~12. 5ym
[0020] >光谱分辨率：优于50nm
[0021] > 波段数：180
[0022] >瞬时视场：lmrad
[0023] >成像视场：18度
[0024] >探测器规模：320X256
[0025] >低温光学温度：〈100K
[0026] >探测器工作温度：〈60K
[0027] 本系统包括如下几个部分：
[0028] 1)前置望远镜
[0029] 前置望远镜工作于常温温度（无须单独制冷），采用三片式物镜结构，三片透镜材 料均为锗，望远镜最后一片为低温冷箱的真空窗口，望远镜的参数如下：望远镜焦距：30_
[0030]望远镜口径：12. 5mm
[0031] 光学相对孔径（F#):2. 4
[0032] 观测视场：18.1°
[0033] 2)低温冷箱光谱仪
[0034] 低温冷箱内部部件工作于100K以下的低温状态，由两台中功率斯特林机械制冷 机提供冷源进行制冷。系统分光部件处于低温冷箱内部（如图1模块5所示），分光部件采 用全反射式的结构，经过狭缝1后的目标全波段光信号在分光部件三反射镜系统的主反射 镜、次镜、三镜的作用下，以平行光形式入射到平面光栅，平面光栅的主要参数如下：
[0035] > 光栅尺寸：45mmX45mmX10mm;
[0036] >有效面积：40mmX40mm;
[0037] >光栅刻线：10线/mm;
[0038] > 闪耀波长：10. 2ym;
[0039] > 闪耀角：2.9±0. 1。。
[0040] 经过平面光栅衍射后的光信号再依次经过三反射镜系统的三镜、次镜和主反射 镜，会聚于分光部件的焦面位置，在系统光路的走向中，两次用到了分光部件内的同一个三 反射镜系统，此三反射镜系统即充当准直镜又是会聚镜，大幅缩小了光谱仪的结构尺寸，也 进而降低了低温冷箱的实施复杂度。设计完成的分光部件参数如下：
[0042]
[0043] 3)热红外焦平面探测器组件
[0044] 选择320X256规模HgCdTe材料的热红外焦平面探测器组件，该组件的焦面位置 放置于图1所示的分光部件焦面位置7,其中热红外焦平面探测器的320方向对应空间维， 256方向对应光谱维。该探测器组件单独采用一台小型化斯特林制冷机对其进行制冷，型号 为RM4-7i，使探测器工作于60K下的深低温状态，同时探测器组件和分光部件共用低温冷 箱的同一个真空室。本方案采用的热红外焦平面探测器组件的主要技术指标如表1所示：
[0045] 另外，在探测器光敏面之前设计有一冷屏及一低温滤光片（带通设置为8. 0~ 12. 5ym)，用于抑制探测器的在热红外谱段以外的响应；
[0046] 4)实时定标装置
[0047] 热红外谱段（尤其是光谱信息）对温度特性极为敏感，环境特性的稍微变化会引 起系统的整体响应偏移，一般设置在轨实时定标装置对此加以修正。实时定标装置结构如 图1的模块1所示，它是一个由旋转机构控制平板黑体转动的部件，在执行定标任务过程 中，旋转结构带动平板黑体充满仪器的总视场进行标定，完成全路径定标，定标的频率根据 任务应用需求制定。
[0048] 5)数据采集与控制系统
[0049] 数据采集与控制系统如图2所示。总控模块实现对热红外焦平面探测器的时序驱 动，探测器输出的信号经过信号放大、信号调理、模数转换、信号缓存和输出接口完成对探 测器信号的数据采集和传输，在整个过程中，主控模块对各个部分进行操控。
[0050] 表 1
【主权项】
1. 一种实用型热红外高光谱成像仪载荷系统，包括实时定标装置（I)、前置望远镜 (2)、低温冷箱锗窗口（3)、狭缝（4)、低温光谱仪（5)、低温冷箱（6)和热红外焦平面探测器 组件（7)，其特征在于： 目标景物的热红外辐射光谱信息经前置望远镜（2)透过低温冷箱锗窗口（3)后会聚于 狭缝（4)处，之后经过低温光谱仪（5)的分光，将入射的目标的热红外光谱信号均匀色散开 来，然后不同波段的光谱信息会聚于热红外焦平面探测器组件（7)对应的焦面位置；系统 中的狭缝（4)、低温光谱仪（5)、热红外焦平面探测器组件（7)均位于低温冷箱（6)内部，在 系统处于常温常压环境时，冷箱内部为高真空状态，其内部部件由2台斯特林制冷机闭环 制冷到100K，热红外焦平面探测器组件的光敏面由其自带的小型制冷机制冷到60K;低温 冷箱锗窗口（4)位置位于低温冷箱上，正对前置望远镜，保证经过前置望远镜会聚的目标 光信息进入冷箱内部不受遮挡，它采用真空法兰和低温冷箱进行密封连接，工作于常温状 态；热红外高光谱成像仪载荷系统工作时，可以获取的目标一个扫描条带的高光谱信息，通 过机载或者星载遥感平台推扫的方式获得目标的三维图谱信息。
【专利摘要】本发明公开了一种实用型热红外高光谱成像仪载荷系统，它应用于遥感领域。本发明涉及遥感领域的高光谱成像技术，它是一种利用低温光学与特殊设计的热红外焦平面杜瓦组件抑制背景辐射，采用平面光栅设计的三反射复用结构的热红外精细分光部件的集成系统，包括望远镜、折转镜、三反射分光部件、热红外焦平面特殊组件、低温光学系统。本发明可搭载于飞机、卫星及深空探测器等多遥感平台，被动接收待测目标的热红外辐射及光谱信息，得到目标在8.0～12.5μm谱段的图像及精细光谱信息。
【IPC分类】G01J3/28
【公开号】CN104897282
【申请号】CN201510295754
【发明人】王建宇, 李春来, 吕刚, 袁立银, 金健, 陈小文, 刘恩光, 曾智江, 季鹏, 姬宏桢, 曹嘉豪
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月2日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高光谱成像技术，具体是指一种实用型热红外高光谱成像仪载荷系 统，它应用于地质矿物勘探、污染气体监测、特征目标精细识别等领域。
【背景技术】
[0002] 成像高光谱技术的出现是遥感界的一场革命，它使本来在宽波段遥感中不可探测 的物质在高光谱遥感中能被探测，其重要意义已经得到世界范围内的公认，相对于可见光 和短波红外，在热红外波段进行高光谱遥感研宄具有独特优势。受技术条件限制，其发展一 直相对缓慢，近年来随着技术的进步，高光谱红外传感器的研制和应用才逐渐被世界各个 国家和机构所重视，包括美国、欧盟在内的多个组织和部门都在进行热红外高光谱成像传 感器的研制，。
[0003] 对高光谱成像仪而言，分光方式是系统的设计的关键。一般而言，高光谱成像仪的 分光方式包括棱镜分光、光栅分光、傅里叶变换分光等方式。其中棱镜和光栅是常见的分 光方式，大多数的航空、航天平台的高光谱成像仪均采用此方案，可以通称为色散型分光方 式，傅里叶分光方式是通过光谱像元干涉图与光谱图之间的傅里叶变换关系，通过测量干 涉图和对干涉图进行傅里叶变换来获得物体的光谱信息，该方式结构复杂。对于可见与短 波红外谱段的高光谱成像仪而言，色散型分光和傅里叶分光国内均有成熟的设备（如机载 实用型模块化成像光谱仪0MIS、环境卫星载超光谱成像仪）。
[0004] 目前我国无论是机载平台还是星载平台尚无实用化运行的热红外高光谱成像仪 载荷，由于其涉及到红外背景的抑制及低温光学的等技术难题，无论采用色散型分光方案 还是傅里叶分光方案，其系统设计与可见光、短波红外谱段的高光谱成像仪均有着极大的 不同，其系统设计方案多处于实验室研宄阶段。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种实用型热红外高光谱成像仪载荷系统，解决红外背景的抑制及 低温光学的工程实现技术难题。
[0006] 本发明热红外高光谱成像仪工作于热红外谱段的高光谱成像仪载荷系统，它采用 色散型分光方式，利用平面光栅+三反射镜组作为分光部件，载荷系统除前置望远镜外其 它部件均工作于低于100K的深底纹环境下，红外焦平面探测器采取特殊冷屏结构设计，能 够抑制红外背景辐射，使系统可以获得目标在8. 0~12. 5ym谱段之间多于180个的高光 谱图像信息，是一种新型的可实用化热红外高光谱成像仪载荷系统。
[0007] 本发明的热红外高光谱成像仪载荷系统结构如附图1所示，它包括实时定标装置 1、前置望远镜2、低温冷箱锗窗口 3、狭缝4、低温光谱仪5、低温冷箱6和热红外焦平面探测 器组件7。目标景物的热红外辐射光谱信息经前置望远镜透过锗窗口后会聚于狭缝处，狭缝 用于限制入射光的观测瞬时视场，之后经过低温光谱仪的分光，将入射的目标的热红外全 谱段光谱信号均匀色散开来，然后不同波段的光谱信息会聚于热红外焦平面探测器组件对 应的焦面位置。图1中的狭缝4、低温光谱仪5、热红外焦平面探测器组件7均位于低温冷 箱6内部，在系统处于常温常压环境时，冷箱内部为高真空状态，其内部部件由2台斯特林 制冷机闭环制冷到100K，热红外焦平面探测器组件的光敏面由其自带的小型制冷机制冷到 60K。锗窗口位置位于低温冷箱上，正对前置望远镜，保证经过前置望远镜会聚的目标光信 息进入冷箱内部不受遮挡，它采用真空法兰和低温冷箱进行密封连接，工作于常温状态。
[0008]当热红外高光谱成像仪载荷系统工作时，可以获取的目标一个扫描条带的高光谱 信息，通过遥感平台（机载或者星载）推扫的方式获得目标的三维图谱信息。
[0009] 本发明的优点在于：
[0010] (1)、通过低温冷箱的设计降低仪器自身光机系统的红外背景辐射，这样目标的热 红外高光谱信号不至于被淹没在仪器自身的红外背景辐射中，使得采用色散型分光方式的 高光谱成像仪器在热红外谱段进行探测技术上变得可能；
[0011] (2)、系统设计前置望远镜不进行低温制冷，这样对于本发明在具体实施中提出的 空间分辨率为lmrad、视场18度的适合于机载运行的系统在直接更换望远镜后实现更高的 分辨率（对应视场变小），从而更加适合卫星平台的高分辨率观测需求；
[0012](3)、系统分光部件设计为三反射镜+平面光栅的结构，它放置于一个真空箱体内 部，分光部件工作于低温100K以下，该部件结构小巧，采用2台中功率的较大冷量的斯特林 制冷机即可实施制冷目标，大大降低了大规模低温系统研制的复杂性；
[0013] (4)、系统设计有实时定标装置，该装置放置于前置望远镜之前，通过转动部件的 驱动，对系统实施全路径福射定标，可以提尚机载或星载系统的定量化精度。
【附图说明】
[0014] 图1是本发明的系统原理示意图；图中：1一实时定标装置；2-前置望远镜；3锗 窗口；4一狭缝；5-低温光谱仪；6-低温冷箱；7-热红外焦平面探测器组件。
[0015]图2是数据采集系统的组成模块图。
[0016]图3是实施后研制的热红外高光谱成像仪载荷系统样机照片。
[0017]图4是热红外高光谱成像仪载荷系统获取的4幅单波段的热红外高光谱图像，其 中：图（1)对应中心波长8. 5ym(光谱带宽50nm)、图⑵对应中心波长9. 5ym(光谱带宽 50nm)、图（3)对应中心波长10. 5ym(光谱带宽50nm)、图（4)对应中心波长11.5ym(光谱 带宽50nm)。
【具体实施方式】
[0018] 下面根据图1~图4给出本发明的一个较好的实施例，用以说明本发明的结构特 征，技术性能和功能特点，实施后的仪器照片如图3所示，仪器获取的外景图像如图4所示， 本实施方式并不限定本发明的范围。该系统的主要技术指标如下：
[0019] >光谱范围：8. 0 ~12. 5ym
[0020] >光谱分辨率：优于50nm
[0021] > 波段数：180
[0022] >瞬时视场：lmrad
[0023] >成像视场：18度
[0024] >探测器规模：320X256
[0025] >低温光学温度：〈100K
[0026] >探测器工作温度：〈60K
[0027] 本系统包括如下几个部分：
[0028] 1)前置望远镜
[0029] 前置望远镜工作于常温温度（无须单独制冷），采用三片式物镜结构，三片透镜材 料均为锗，望远镜最后一片为低温冷箱的真空窗口，望远镜的参数如下：望远镜焦距：30_
[0030]望远镜口径：12. 5mm
[0031] 光学相对孔径（F#):2. 4
[0032] 观测视场：18.1°
[0033] 2)低温冷箱光谱仪
[0034] 低温冷箱内部部件工作于100K以下的低温状态，由两台中功率斯特林机械制冷 机提供冷源进行制冷。系统分光部件处于低温冷箱内部（如图1模块5所示），分光部件采 用全反射式的结构，经过狭缝1后的目标全波段光信号在分光部件三反射镜系统的主反射 镜、次镜、三镜的作用下，以平行光形式入射到平面光栅，平面光栅的主要参数如下：
[0035] > 光栅尺寸：45mmX45mmX10mm;
[0036] >有效面积：40mmX40mm;
[0037] >光栅刻线：10线/mm;
[0038] > 闪耀波长：10. 2ym;
[0039] > 闪耀角：2.9±0. 1。。
[0040] 经过平面光栅衍射后的光信号再依次经过三反射镜系统的三镜、次镜和主反射 镜，会聚于分光部件的焦面位置，在系统光路的走向中，两次用到了分光部件内的同一个三 反射镜系统，此三反射镜系统即充当准直镜又是会聚镜，大幅缩小了光谱仪的结构尺寸，也 进而降低了低温冷箱的实施复杂度。设计完成的分光部件参数如下：
[0042]
[0043] 3)热红外焦平面探测器组件
[0044] 选择320X256规模HgCdTe材料的热红外焦平面探测器组件，该组件的焦面位置 放置于图1所示的分光部件焦面位置7,其中热红外焦平面探测器的320方向对应空间维， 256方向对应光谱维。该探测器组件单独采用一台小型化斯特林制冷机对其进行制冷，型号 为RM4-7i，使探测器工作于60K下的深低温状态，同时探测器组件和分光部件共用低温冷 箱的同一个真空室。本方案采用的热红外焦平面探测器组件的主要技术指标如表1所示：
[0045] 另外，在探测器光敏面之前设计有一冷屏及一低温滤光片（带通设置为8. 0~ 12. 5ym)，用于抑制探测器的在热红外谱段以外的响应；
[0046] 4)实时定标装置
[0047] 热红外谱段（尤其是光谱信息）对温度特性极为敏感，环境特性的稍微变化会引 起系统的整体响应偏移，一般设置在轨实时定标装置对此加以修正。实时定标装置结构如 图1的模块1所示，它是一个由旋转机构控制平板黑体转动的部件，在执行定标任务过程 中，旋转结构带动平板黑体充满仪器的总视场进行标定，完成全路径定标，定标的频率根据 任务应用需求制定。
[0048] 5)数据采集与控制系统
[0049] 数据采集与控制系统如图2所示。总控模块实现对热红外焦平面探测器的时序驱 动，探测器输出的信号经过信号放大、信号调理、模数转换、信号缓存和输出接口完成对探 测器信号的数据采集和传输，在整个过程中，主控模块对各个部分进行操控。
[0050] 表 1
【主权项】
1. 一种实用型热红外高光谱成像仪载荷系统，包括实时定标装置（I)、前置望远镜 (2)、低温冷箱锗窗口（3)、狭缝（4)、低温光谱仪（5)、低温冷箱（6)和热红外焦平面探测器 组件（7)，其特征在于： 目标景物的热红外辐射光谱信息经前置望远镜（2)透过低温冷箱锗窗口（3)后会聚于 狭缝（4)处，之后经过低温光谱仪（5)的分光，将入射的目标的热红外光谱信号均匀色散开 来，然后不同波段的光谱信息会聚于热红外焦平面探测器组件（7)对应的焦面位置；系统 中的狭缝（4)、低温光谱仪（5)、热红外焦平面探测器组件（7)均位于低温冷箱（6)内部，在 系统处于常温常压环境时，冷箱内部为高真空状态，其内部部件由2台斯特林制冷机闭环 制冷到100K，热红外焦平面探测器组件的光敏面由其自带的小型制冷机制冷到60K;低温 冷箱锗窗口（4)位置位于低温冷箱上，正对前置望远镜，保证经过前置望远镜会聚的目标 光信息进入冷箱内部不受遮挡，它采用真空法兰和低温冷箱进行密封连接，工作于常温状 态；热红外高光谱成像仪载荷系统工作时，可以获取的目标一个扫描条带的高光谱信息，通 过机载或者星载遥感平台推扫的方式获得目标的三维图谱信息。
【专利摘要】本发明公开了一种实用型热红外高光谱成像仪载荷系统，它应用于遥感领域。本发明涉及遥感领域的高光谱成像技术，它是一种利用低温光学与特殊设计的热红外焦平面杜瓦组件抑制背景辐射，采用平面光栅设计的三反射复用结构的热红外精细分光部件的集成系统，包括望远镜、折转镜、三反射分光部件、热红外焦平面特殊组件、低温光学系统。本发明可搭载于飞机、卫星及深空探测器等多遥感平台，被动接收待测目标的热红外辐射及光谱信息，得到目标在8.0～12.5μm谱段的图像及精细光谱信息。
【IPC分类】G01J3/28
【公开号】CN104897282
【申请号】CN201510295754
【发明人】王建宇, 李春来, 吕刚, 袁立银, 金健, 陈小文, 刘恩光, 曾智江, 季鹏, 姬宏桢, 曹嘉豪
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月2日
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