作者 / 岳松 湖北久之洋紅外系統(tǒng)有限公司 高級工程師01基本概念紅外成像光譜儀具有“圖譜合一”的特性，結(jié)合傳統(tǒng)光譜儀和光電成像技術(shù)的特點，可同時提供圖像二維空間信息和光譜信息，實現(xiàn)對目標(biāo)場景的探測和深度分析，在農(nóng)作物檢測、氣體檢測、食品檢測、垃圾分揀、國防研究、公共安全等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，滿足現(xiàn)場分析的要求。
圖1. 根據(jù)分光原理，紅外分光成像儀可提供圖像的二維信息和光譜信息
圖2. 紅外成像光譜儀的三種類型成像光譜儀是通過過濾器形成一定窄波段的光譜，然后成像到焦平面探測器陣列。該成像光譜儀結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便，光譜通道數(shù)一般較少。隨著聲光可調(diào)過濾器、液晶可調(diào)過濾器和漸變過濾器的成熟，過濾成像光譜儀的光譜分辨率、體積重量和響應(yīng)速度大大提高，但光譜分辨率低，波段有限。
圖3. 色散紅外成像光譜儀利用特定的色散元件（也稱為分光元件）分散復(fù)色光，在探測器上獲得每個光譜元件的直接光譜強度。棱鏡分光利用棱鏡材料對不同波長光的不同折射原理；光柵分光利用光柵縫的衍射和縫間的干擾。光柵分光的特點是結(jié)構(gòu)簡單，光譜分辨率高，但存在光通量小、色散的非線性問題，設(shè)備需要清洗或清洗。
圖4. 干涉光譜成像技術(shù)通過測量干涉儀產(chǎn)生的干涉圖和傅里葉改變積分來測量和研究光譜圖像。原則上可分為時間調(diào)制型和空間調(diào)制型。時間調(diào)制類型是通過干涉儀中動鏡的運動產(chǎn)生不同的光程差，以時間點的形式記錄不同光程差下所有不同干涉級別的干涉圖信號，探測器在同一光程差中獲得所有目標(biāo)的強度圖像。空間調(diào)制模型通過剪切分束器產(chǎn)生不同的光程差，在一定空間方向的不同位置產(chǎn)生不同目標(biāo)的干擾級別，在垂直方向?qū)?yīng)不同的空間目標(biāo)；在某一時刻獲得不同目標(biāo)的干擾強度圖像。紅外成像光譜儀的光譜分辨率高，光通量大，雜散光低，光譜范圍寬，可凝視成像，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度大，內(nèi)部有運動部件。
圖5. 干涉紅外成像光譜儀的光譜分辨率高，光譜范圍寬，內(nèi)部無運動部件，但需要清洗或清洗，光通量和光譜分辨率低于時間調(diào)制型。
圖6. 目前，紅外成像光譜設(shè)備的發(fā)展趨勢如下：
小型化：目前，高性能紅外成像光譜儀也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積重量大的問題，限制了其工業(yè)化發(fā)展。隨著微光機電和小型集成設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，便攜式、高性能的紅外成像光譜儀已成為研究人員和市場的可能性。高分辨率：更豐富的信息是成像和探測技術(shù)的目標(biāo)，包括光譜分辨率和空間分辨率。在實際應(yīng)用中，通常需要平衡空間分辨率和光譜分辨率。因此，如何為不同的應(yīng)用程序獲取盡可能多的數(shù)據(jù)一直是一個技術(shù)困難，也是成像光譜技術(shù)永不停止的改進(jìn)方向。
20世紀(jì)70年代末，美國加州理工學(xué)院噴氣促進(jìn)實驗室JPL率先提出了紅外成像光譜儀的概念，并在20世紀(jì)80年代研制了首臺機載成像光譜儀 ** RIS(光柵分光型)。1987年，法國空間中心在1990年開發(fā)了第一臺空間調(diào)制干涉紅外成像光譜儀。1988年，加里福尼亞技術(shù)研究所噴氣推進(jìn)研究室(JPL)干涉型紅外成像光譜儀已經(jīng)開發(fā)出來。德國亞琛理工大學(xué)誕生了第一臺濾光紅外成像光譜儀樣機。由于紅外探測器和信息處理技術(shù)的成熟，紅外成像光譜儀在20世紀(jì)90年代發(fā)展迅速，空間分辨率、光譜分辨率、光譜穩(wěn)定性、靈敏度等核心指標(biāo)不斷提高。紅外成像光譜儀在北美、歐盟和日本已企業(yè)根據(jù)市場需求主導(dǎo)技術(shù)發(fā)展。美國、加拿大、德國等國家在精密加工、高精度光機控制和先進(jìn)成像技術(shù)方面處于主導(dǎo)地位。美國是主要制造商Headwall photonics、挪威Norsk Elektro Optik、美國SOC、加拿大ABB Bomem、Photon、德國Bruker等。航天紅外光譜成像儀的開發(fā)通常由美國噴氣推廣實驗室、雷神公司和歐洲宇航局等國家科研機構(gòu)或大型軍事企業(yè)主導(dǎo)。美國在航天成像光譜儀方面處于世界領(lǐng)先地位，大多采用雷神公司開發(fā)的凸面光柵小型化分光成像ARTEMIS高光譜成像儀。而在歐洲，多使用干涉型分光成像，利用其光譜分辨率高的特點，可提供更好的科學(xué)分析功能。我國紅外成像光譜儀的研究主要集中在星載和機載紅外成像光譜儀上，商業(yè)產(chǎn)品較少，產(chǎn)品性能和可靠性與國外同類產(chǎn)品存在一定差距。近年來，湖北九陽公司在現(xiàn)有紅外光學(xué)技術(shù)、紅外成像技術(shù)、精密機械的基礎(chǔ)上，承擔(dān)了科技部項目和國家發(fā)改委項目，對現(xiàn)場級紅外成像光譜儀進(jìn)行了深入研究，征服了多項核心關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了多種系統(tǒng)的紅外成像光譜儀，性能指標(biāo)接近國際先進(jìn)水平。獲得2019年光環(huán)獎（HALO在科技部批準(zhǔn)的現(xiàn)場多波段紅外成像光譜儀開發(fā)與應(yīng)用項目的支持下，完成了現(xiàn)場級多波段紅外成像光譜儀設(shè)備。本項目由中國船舶重工集團(tuán)有限公司、九海洋公司、聯(lián)合設(shè)備研究所、國家海洋局北海洋技術(shù)安全中心、華中科技大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、航天、湖北環(huán)境科學(xué)研究所等六個單位共同開發(fā)，實現(xiàn)了國內(nèi)獨立控制和關(guān)鍵設(shè)備。現(xiàn)場級多波段紅外成像光譜儀的成功開發(fā)，打破了國外壟斷和禁運，填補了國內(nèi)高性能現(xiàn)場分析紅外成像光譜儀領(lǐng)域的技術(shù)空白，提高了我國在環(huán)境安全應(yīng)急處置、軍用光譜特性研究和化學(xué)防治技術(shù)調(diào)查等領(lǐng)域的能力，廣泛應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測、氣體檢測、物體識別、無損檢測等領(lǐng)域，國內(nèi)外市場前景廣闊。因此，紅外成像光譜儀的開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化、應(yīng)用研究和營銷需要繼續(xù)推進(jìn)。
圖7. 在二維場景的基礎(chǔ)上引入目標(biāo)場景的光譜信息，可以提高成像設(shè)備的目標(biāo)檢測和識別能力。在隱形目標(biāo)探測方面，利用紅外光譜成像技術(shù)獲取目標(biāo)表面材料的光譜特性，通過與相應(yīng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，可以檢測目標(biāo)的性質(zhì)和類型，從而識別隱形偽裝。因此，紅外光譜成像技術(shù)被認(rèn)為是一種重要的偽裝手段。北約集團(tuán)成立了多光譜/超光譜成像紅外偽裝目標(biāo)檢測研究小組，長期積累了大量數(shù)據(jù)。此外，紅外成像光譜儀還可用于戰(zhàn)場毒氣檢測，以確保自身人員的安全。紅外成像光譜儀可實時、無干擾、連續(xù)監(jiān)測遠(yuǎn)距離大范圍的氣體污染源和污染流。根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的參考光譜和測量光譜之間的相關(guān)系數(shù)，可以估計氣體的位置、形狀、大小、分散度和遷移方向，定位云源，初步估計氣體濃度。目前，紅外成像光譜儀已用于工業(yè)區(qū)氣體流動檢測。此外，歐盟和美國還使用紅外成像光譜儀進(jìn)行化學(xué)毒氣監(jiān)測，以防止恐怖襲擊。一般來說，濾光紅外成像光譜儀用于檢測未知氣體和混合氣體的時間干擾紅外成像光譜儀，用于檢測已知單個氣體。光譜成像遙感是當(dāng)前國際科研的前沿，也是我國戰(zhàn)略發(fā)展的重點之一，已應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的眾多領(lǐng)域，包括環(huán)境資源調(diào)查、重大災(zāi)害監(jiān)測、城市規(guī)劃管理、海洋勘探、全球情報搜集等。目前，各大航天大國都有大量星載紅外成像光譜儀監(jiān)測地表，涉及各種類型的產(chǎn)品類型，包括濾光型、色散型和干涉型。尤其是美國NASA歐洲宇航局在全球情報獲取方面具有服務(wù)設(shè)備數(shù)量大、種類多、性能先進(jìn)、后端處理方法成熟等優(yōu)勢。封面來源： ** verickinspection.com
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