相對可見光和短波紅外譜段來說，在紅外譜段進(jìn)行高光譜遙感成像具有獨(dú)特優(yōu)勢，特別是在資源勘查、地表環(huán)境監(jiān)測、大氣環(huán)境監(jiān)測、軍事偵察方面。盡管當(dāng)前紅外高光譜成像儀主要以機(jī)載為主，還未實(shí)現(xiàn)星載，然而國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)從未放棄推進(jìn)紅外高光譜遙感的星載化。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所李春來和王建宇研究員團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了題為“紅外高光譜遙感成像的技術(shù)發(fā)展與氣體探測應(yīng)用”的文章。第一作者為李春來研究員，主要從事空間紅外與光譜技術(shù)方面的研究。通訊作者為王建宇研究員（中國科學(xué)院院士），主要從事空間光電技術(shù)和系統(tǒng)方面的研究。

文中以紅外高光譜成像儀的技術(shù)發(fā)展為主題，首先介紹了了國內(nèi)外紅外高光譜成像儀的發(fā)展歷程，總結(jié)了紅外高光譜成像傳感器的特色和難點(diǎn)，并探討了可能的解決途徑。在此基礎(chǔ)上，介紹了紅外高光譜成像在氣體探測中的機(jī)理、模型和部分實(shí)例，指出紅外高光譜成像技術(shù)是未來有望解決大氣環(huán)境精細(xì)監(jiān)測和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)急管理最有利的手段之一。最后，還展望了紅外高光譜成像技術(shù)的發(fā)展趨勢。

紅外高光譜成像傳感器的發(fā)展

傳統(tǒng)的高光譜成像遙感一般指覆蓋0.4~2.5μm的高光譜成像儀，傳感器接收的能量主要是地表反射的太陽輻射。紅外高光譜則通常覆蓋3.0~12.5μm譜段的高光譜成像儀。不同于0.4~2.5μm譜段的高光譜成像儀圍繞精細(xì)分光組件和高性能面陣探測器的發(fā)展而開展，紅外高光譜成像儀的發(fā)展則重點(diǎn)關(guān)注如何抑制紅外背景輻射。從成像儀的組成來說，抑制紅外輻射的低溫制冷模塊和紅外分光模塊占據(jù)了主要空間和質(zhì)量。在高光譜成像儀傳感器的發(fā)展史上，早期的儀器主要集中于歐美國家。

國內(nèi)外典型傳感器

1986年，美國國家航空航天局（NASA）下屬的噴氣動力實(shí)驗(yàn)室（JPL）成功研制經(jīng)典儀器機(jī)載可見光近紅外成像光譜（AVIRIS），相比傳統(tǒng)多光譜的遙感，AVIRIS在光譜解析方面表現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢，推動了遙感定量化的發(fā)展。隨著實(shí)際應(yīng)用的深入，地質(zhì)勘查科學(xué)家們也逐漸意識到僅依靠0.4~2.5μm的反射光譜在解析全部地表礦物種類方面仍有提升空間，紅外高光譜成像儀便應(yīng)運(yùn)而生。

我國紅外高光譜遙感的發(fā)展要晚于歐美國家。從“十五”計(jì)劃開始，國家科技部開始支持熱紅外高光譜成像技術(shù)研究?！笆濉逼陂g，在科技部的支持下，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制了我國第一臺熱紅外高光譜成像儀樣機(jī)。在“高分”專項(xiàng)航空全譜段多模態(tài)成像光譜儀項(xiàng)目的支持下，項(xiàng)目組進(jìn)一步完善了熱紅外高光譜成像樣機(jī)的工程化水平，形成了機(jī)載熱紅外高光譜成像系統(tǒng)（ATHIS）。在原有技術(shù)體系基礎(chǔ)上，2020年，項(xiàng)目組成功研制了空間高分辨紅外高光譜成像儀（SIHIS）的研制，SIHIS覆蓋了包括中波（3~5μm）和長波（8~12.5μm）的紅外區(qū)主要大氣窗口。

圖1 國內(nèi)外主要紅外高光譜成像儀照片

技術(shù)發(fā)展趨勢

從光譜分辨率來看，已有的大部分紅外高光譜成像儀光譜分辨率均在50nm附近，該指標(biāo)在地礦領(lǐng)域可以滿足礦物精確解析的需求。當(dāng)需要開展氣體探測時，光譜分辨率一般要優(yōu)于20nm，并且光譜絕對精度要優(yōu)于1nm。

從空間分辨率來看，機(jī)載設(shè)備的空間分辨率一般在毫弧度級，星載儀器方面，太陽同步星載的空間分辨率一般在10~50m分辨率量級。

從輻射分辨率來看，對于光柵分光的儀器來說，采用液氮或液氦制冷的儀器輻射分辨率一般都優(yōu)于0.1K，采用斯特林制冷的儀器一般在0.1~0.2K之間，采用傅里葉分光技術(shù)體制的儀器的輻射靈敏度一般都好于光柵分光體制的儀器。在成像波段方面，中波紅外的輻射分辨率一般都優(yōu)于長波波段。

總體來說，目前已有的紅外高光譜成像技術(shù)，其光譜分辨率和空間分辨率已基本能滿足地礦領(lǐng)域的應(yīng)用需求，但在光譜分辨率要求更高的氣體探測領(lǐng)域仍然有較大應(yīng)用需求驅(qū)動。在民用領(lǐng)域，目前發(fā)展的基于無人機(jī)平臺的非制冷探測器型紅外高光譜成像儀，輻射分辨率往往只能到1K量級，在很多領(lǐng)域都難以應(yīng)用。

綜上所述，紅外高光譜成像儀的發(fā)展應(yīng)繼續(xù)集中在突破紅外精細(xì)分光、低暗電流高靈敏度探測器、低溫光學(xué)與背景輻射抑制技術(shù)，研制出體積質(zhì)量更小，光譜分辨率、空間分辨率、輻射分辨率更加優(yōu)異的傳感器。

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(bào)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(yuǎn)距離、大范圍的約束下實(shí)現(xiàn)對氣體的種類、形態(tài)、濃度等進(jìn)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(xì)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢。

紅外高光譜氣體探測機(jī)理

當(dāng)紅外譜段的光線穿透氣體時，如果入射紅外光由頻率決定的光子能量與氣體分子中兩能級的能量之差相等時，氣體分子將吸收光子能量，從初始能級躍遷到能量更高的能級，從而使得入射紅外光的特定頻率成份被吸收，也使得不同成份的氣體擁有不同的氣體吸收光譜。幾乎所有的氣體都有這樣的“指紋”光譜譜線，這也是光學(xué)手段開展氣體成份識別的基本物理原理，圖2給出了不同氣體成份對應(yīng)的紅外吸收光譜譜線。

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(shí)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(dá)到15Hz，已接近視頻級。紅外高光成像儀則更多的是用于實(shí)驗(yàn)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(shí)際案例

結(jié)束語

盡管存在諸多問題，經(jīng)過20多年的發(fā)展，紅外高光譜成像技術(shù)已取得了重要成果。行百里者半九十，作為一種通用的高技術(shù)遙感手段，在未實(shí)現(xiàn)星載傳感器的全球定量觀測前都不能算是質(zhì)的飛越。隨著應(yīng)用需求的推進(jìn)，特別是目前我國“雙碳”計(jì)劃的深入實(shí)施，對大氣環(huán)境的精細(xì)監(jiān)測需求越來越迫切，未來紅外高光譜成像技術(shù)的發(fā)展將由技術(shù)推進(jìn)型逐步邁向應(yīng)用推進(jìn)型。一方面，突破紅外精細(xì)分光、低暗電流紅外面陣探測器、深低溫光學(xué)系統(tǒng)等核心技術(shù)，研制出光譜分辨率達(dá)到甚至超過λ/500的星載高性能遙感儀器，獲取可用的星載高光譜紅外遙感數(shù)據(jù)。另一方面，繼續(xù)深挖紅外高光譜遙感數(shù)據(jù)處理，拓展應(yīng)用模式，深入研究紅外高光譜信息與待探測物質(zhì)成分的深入內(nèi)在物理聯(lián)系，提升探測準(zhǔn)確度。在大數(shù)據(jù)分析技術(shù)飛速發(fā)展的今天，紅外高光譜成像技術(shù)將大有可為。

該項(xiàng)目獲得了173基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目和上海市科學(xué)儀器研發(fā)專項(xiàng)的資助。