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长波红外高光谱成像系统的设计与实现

第40卷第2期红外与激光工程2011年2月Vol.40No.2Infrared and Laser Engineering Feb.2011长波红外高光谱成像系统的设计与实现

袁立银1,林颖1,何志平1,徐卫明1,张滢清2,舒嵘1,王建宇1

(1.中国科学院上海技术物理研究所,上海200083;2.上海太阳能工程技术研究中心,上海200241)

摘要:针对长波红外高光谱系统背景辐射强以及信噪比低的特点,设计了能有效抑制背景辐射的长波红外精细分光光谱成像系统。利用杂散辐射分析软件,对系统进行了背景辐射分析,包括全波段各辐射面源对背景辐射的贡献分量、各光学通道的背景辐射、机械内壁吸收率对背景辐射的影响、以及光机内壁温度对背景辐射的影响。主要通过制冷光机系统的温度、抛光亮化处理光谱仪的内部表面,降低系统的背景辐射。搭建了一套地面实验装置,该系统光谱范围为7.7~9.3μm,光谱分辨率为54nm,空间分辨为0.75mrad,推扫式成像。整机的测试结果表明,系统的光谱分辨率(SRF)达到了预先设计的要求值,低温150K时,系统的噪声等效温差NETD接近300mK。

关键词:光谱成像系统;长波红外;高光谱;背景辐射

中图分类号:TN744.1文献标志码:A文章编号:1007-2276(2011)02-0181-05

Design and realization of an long-wave infrared hyperspectral

imaging system

Yuan Liyin1,Lin Ying1,He Zhiping1,Xu Weiming1,Zhang Yingqing2,Shu Rong1,

Wang Jianyu1

(1.Shanghai Institute of Technical Physics,Chinese Academy of Science,Shanghai200083,China;

2.Shanghai Solar Energy Research Center,Shanghai200241,China)

Abstract:In view of the strong background radiation and the low signal noise rate of the long-wave hyperspectral imaging spectrometer,an infrared spectral imaging system which could restrain the background radiation was designed.The background radiation was analyzed by the TacePro software.The analysis include composition of the background radiation(within the whole spectral range),relative background radiation of each channel,background radiation as different mechanism inwall surfaces absorbance,and background radiation at different temperature of machine inwall.The background radiation was mainly suppressed by cooling opto-mechanic system and polishing inwall surface.A ground-based experimental device was established,whose spectral range was from7.7to9.3μm,spectral resolution was54nm,spatial resolution was0.75mrad and scanning way was push broom.Measurement of the whole instrument presents that spectral resolution(SRF)of the system reaches the designed value and NETD is less than300mK as the inwall surfaces of opto-mechanic is at150K.

Key words:imaging spectrometer system;long-wave infrared;hyperspectral;background radiation

收稿日期:2010-05-10;修订日期:2010-06-05

基金项目:国家863计划资助项目(2007AA12Z104);福建省青年科技人才创新项目(2007F3066)

作者简介:袁立银(1981-),女,博士后,研究方向为红外系统设计及应用技术研究。Email:yuanliyintongji@http://www.wendangku.net/doc/726d14d6360cba1aa811da25.html

导师简介:王建宇(1959-),男,研究员,研究方向为光电遥感系统、信息获取与处理技术。Email:jywang@http://www.wendangku.net/doc/726d14d6360cba1aa811da25.html

红外与激光工程第40卷

0引言

长波红外成像光谱仪是一种用来获取物体自身长波红外辐射二维空间信息和一维光谱信息的仪器,由望远物镜、光谱仪、背景抑制模块、FPA和辅助电路部分组成,工作波长一般在8~14μm波段。

长波红外成像光谱仪在物质探测识别方面优势明显。其获取的空间和长波红外波段光谱的信息,能发现光谱特征的细微不同,进而具有更高的目标识别能力和探测效率。可用于航天器昼夜识别,化学气体流检测,地雷探测,航天器排气口探测,化学云层绘图等。

我国长波红外高光谱成像技术与国际上[1-4]差距很大,只有极少数科研单位在开展预先研究。

1设计难点

目前,红外成像光谱仪的设计存在以下难点:

(1)目标信号微弱。当太阳高度角为45°时,地面景物接收的长波红外(8~12μm)波段的太阳辐照度约为可见光(0.45~0.78μm)波段的2‰。长波红外仪器接收到的信息主要来自目标景物的自身辐射,是其接收到太阳辐照度的160倍。折算成一个光谱采样间隔内,长波红外仪器(光谱采样间隔50nm)的入射太阳辐照度仅为可见光仪器(光谱采样间隔5nm)的1/4。

(2)背景热辐射严重。一切高于绝对零度的物体都会有热辐射,因此,每个光机内表面都是背景热辐射源。常温300K时,光机系统的自身热辐射对信号的干扰特别严重,来自远处景物的辐射信号分光之后可能淹没在光机系统的热辐射背景噪声之中。无背景抑制措施,长波红外成像光谱仪图像数据不能满足使用要求。

(3)可应用的探测器少。目前国际上用于长波红外波段的面阵探测器主要有3种:QWIP量子阱探测器、Micro bolometer探测器和HgCdTe探测器。但迄今还没有一种新材料能超过HgCdTe的基本优点。为满足更高的性能要求,HgCdTeFPA仍然是首选探测器。

2系统设计

长波红外成像光谱仪器的目标信号微弱,背景辐射严重,整机的信噪比(SNR)非常低,与之相关的等效噪声温差、等效光谱噪声温差等指标都会降低,因此必须采取有效的背景抑制处理措施。主要是:(1)对光机系统进行真空制冷;(2)冷光阑设计;(3)探测器窗口前加滤光片。

系统组成如图1所示。系统由光机子系统、探测器及制冷组件(含辅助电路)、抑制辐射模块(真空制冷组件)组成。其中,光机子系统由成像镜、视场光阑(狭缝)、准直镜、平面反射光栅和会聚镜组成。

图1系统组成框图

Fig.1Block diagram of the system

3背景辐射仿真分析

利用TracePro软件分析背景杂散辐射的主要来源,从理论上给出达到成像要求时的最高光机系统制冷温度,为系统的结构设计、制冷方式和探测器成像电路设计提供设计依据。

3.1仿真原理与辐射定律

TracePro是基于蒙特卡洛法的一种杂光分析软件。将系统外的杂散辐射或系统内部构件的自身热辐射看作是大量相互独立的能量束光线组成,光线在系统内部的传递过程是随机的,服从特定分布函数的随机数确定。这种特定分布函数即是概率模型,每一种随机过程的概率分布应符合相应的热辐射定律、表面的热辐射性质和光学原理。当追迹光线数足够多时,可以得到一个反应实际情形较为稳定的统计结果。

由普朗克定律可知,一定温度和波长下,单位时间内,单位面积发射的λ1-λ2波段的辐射能为:

W△λ(T)=ε·

λ

2

λ

1

乙c1λ-5

e

c

2

-1

dλ(1)式中:c1、c2为辐射常量;ε为表面发射率。

3.2系统建模

系统的光路部分需装配镜筒。如图2所示,光

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第2期

系统包括由前锗平片窗口、三组红外镜头、反射光栅及探测器保护窗口、冷光阑组成的光学系统和由前端连接筒(1)、成像镜筒(2)、狭缝筒(3)、狭缝(4)、准直镜筒(5)、光栅座(6)、光栅方盒(7)、会聚镜筒(8)、后端连接筒(9)及探测器杜瓦腔体(10)组成的机械部分。内壁吸收率ε取典型值0.8。

图2机械件内表面

Fig.2Inwall surfaces of the mechanical elements

3.3全波段各辐射面源对背景辐射的贡献分量

光机系统温度为300K时,光学件、探测器杜瓦腔体和机械件内表面属性不变,考察全波段各个辐射面源对背景辐射的贡献分量。

如图3所示,对背景辐射较为严重的辐射面源依次是会聚镜筒内壁、狭缝后表面、准直镜筒内壁、狭缝筒内壁、光栅盒内壁以及光栅座端面等。

图3全波段各辐射面源对背景辐射的贡献

Fig.3Contribution of each surface to background radiation within whole spectral range

低温下杂散辐射的主要来源保持不变,但因温度降低,物体辐射峰值往长波方向漂移,因此各辐射面源对背景辐射的贡献比份略有变化。

狭缝前的辐射由于视场光阑狭缝的存在,可以忽略。狭缝之后,与光轴垂直的且通过光栅反射或直接正对光敏面的表面,其辐射对背景辐射的贡献较大,如会聚镜镜片、准直镜镜片面和光栅表面等;此外,沿光轴方向有一定夹角,但吸收率高、面积大的表面,其辐射对背景辐射的贡献也比较大,如准直镜筒和会聚镜筒内壁等。这些关键表面的温度必须降低。

3.4各光学通道的背景辐射

由图4可知,7.7~9.3μm波段内的30个通道的背景辐射较均匀。当光机温度下降到150K时,各光学通道背景辐射有较大变化,最后一个光学通道的背景辐射是第一个光学通道的3倍。反映在光谱图像上,系统的信噪比越往长波越低。

图4各光学通道的背景辐射相对值

Fig.4Relative background radiation of each optical channel

3.5机械内壁吸收率对背景辐射的影响

由图5可知,随着机械件内表面吸收率的降低,到达光敏面的背景辐射总量逐渐减少,光敏面上的平均辐照度也逐渐减少。当机械件内表面的吸收率从0.9降低到0.1时,光敏面上的平均辐照度约降低了50%。因此,通过抛光亮化处理机械件内表面以降低其表面吸收率,一定程度上实现对背景辐射的抑制。

图5机械内壁吸收率对背景辐射的影响

Fig.5Effect of absorption rate of mechanical inwall on

background radiation

3.6光机内壁温度对背景辐射的影响

设背景辐射相对值是以某一光机温度的第一个光学通道的背景辐射为参考的比值。由图6可知,随着光机系统温度的降低,到达光敏面的背景辐射总量逐渐减少,光敏面上的平均辐照度也逐渐减少。光

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机袁立银等:长波红外高光谱成像系统的设计与实现183

红外与激光工程第40卷

系统温度从300K下降到80K的过程中,光敏面上的平均辐照度降低速度越来越缓慢。当光机系统温度降低到150K时,光敏面上的平均辐照度约是300K时的1/250。因此,降低光机系统的温度可以有效抑制背景辐射。

图6光机内壁温度对背景辐射的影响

Fig.6Effect of temperature of mechanical inwall on

background radiation

进一步理论分析表明,当光机系统制冷至150K 左右时,探测器的输入信噪比接近50dB。

4系统实现

4.1长波红外成像光谱系统

如图7所示,光机子系统固定于光学底板上,再盖上光学罩(铝皮盖)封闭成箱体,光机箱体通过5根隔热柱固定于真空罐内。

图7长波红外高光谱成像系统

Fig.7Long-wave infrared hyperspectral imaging system

光学罩和光学底板外层包有隔热多层,使其与外界环境隔离,避免受到真空环境里的辐射。光学罩靠近成像镜处开有一圆形窗口;真空罐靠近成像镜一侧处开有一更大的圆形窗口,此窗口内装有长波红外锗平面透镜,以使真空罐内部所有组件与外界环境隔离,并使来自目标景物的辐射透过此窗口进入光学系统。真空罐内的杜瓦底部有一铜板由铝带连接到光学底板上。

系统采用液氮制冷,当液氮注入杜瓦后,通过导热铝带使光机系统降温。在杜瓦底部铜板、光学底板、探测器座和光学罩上各有两个测温点,实时监测各部件温度;同时,各有两个加热点实时控制温度,进行各温度点的数据采集。

4.2性能测试及定标

4.2.1空间分辨率测试

狭缝对紧贴在黑体源上,置于平行光管焦面处模拟无穷远的辐射,观察探测器光敏面上的0级光谱(未分光)[5]光管焦距为4000mm,狭缝对缝宽和两缝间隔设为3mm。如图8所示,系统能分辨出上述宽度的狭缝对,表明系统空间分辨率和成像质量达到设计要求。

图8空间分辨率测试

Fig.8Testing of spatial resolution

4.2.2光谱响应度标定

单色仪出射狭缝置于平行光管焦面处,待测系统在平行光管前方。单色仪出射狭缝小于0.5mm,其光谱宽度大约为16nm,小于被测系统光谱分辨率设计值的1/3,保证测试精度。控制单色仪以3nm步长由7700nm到9300nm进行光谱扫描。由图9可知,系统的光谱通道与中心波长成线性关系。

图9各通道中心波长

Fig.9Center wavelength of each channel

4.2.3光谱分辨率测试及定标

测试装置同4.2.2。以第2通道为例,如图10所示,光谱分辨率约为50nm,与设计值偏差不超过8%

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第2期

图10第2通道光谱分辨率曲线

Fig.10Spectral resolution curve of the2nd channel

4.2.4系统噪声等效温差

长波红外系统通过物体辐射成像,系统本身与景物周围辐射环境将产生噪声,对图像质量影响很大,NETD的测量是评价红外系统的重要指标之一。NETD与光学系统的入瞳孔径、焦距以及探测像元尺寸等参数有关,NETD数值的实验室测量中,按下式进行计算:

NETD=△T

s n

(2)

参考文献[6]中对系统NETD进行测试。当光机系统制冷到150K时,测试目标温度为305K,背景温度为295K,即温差为10K时,测试得到系统各谱段的平均噪声等效温差NETD为310mK;而当光机温度为300K时,其对应的NETD为2.8K。

4.3低温分光成像实验

系统在完成测试和定标后,整机制冷到170K,借助真空罐窗口前的扫描振镜,进行了远处目标地物成像。经非均匀性校正,得到某一光谱通道(第2通道)的图片如图11所示。

图11第2通道光谱成像

Fig.11Spectral image of the2nd channel 5结束语

长波红外成像光谱仪实现分光成像的关键是对背景辐射进行有效抑制,提高系统的信噪比。文中对长波红外成像光谱仪的背景辐射的来源和对其影响较大的各因素进行了仿真分析,可知对主要的辐射面源进行亮化抛光处理,对狭缝后的光机部分进行制冷处理,能有效抑制背景辐射。搭建的系统采用冷光阑设计,在光学装校、系统测试和定标后,进行真空制冷,在低温170K实现了长波红外波段的常温地物目标的高光谱成像。

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