實(shí)用型熱紅外高光譜成像儀載荷系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本專利涉及高光譜成像技術(shù)，具體是指一種實(shí)用型熱紅外高光譜成像儀載荷系 統(tǒng)，它應(yīng)用于地質(zhì)礦物勘探、污染氣體監(jiān)測、特征目標(biāo)精細(xì)識別等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 成像高光譜技術(shù)的出現(xiàn)是遙感界的一場革命，它使本來在寬波段遙感中不可探測 的物質(zhì)在高光譜遙感中能被探測，其重要意義已經(jīng)得到世界范圍內(nèi)的公認(rèn)，相對于可見光 和短波紅外，在熱紅外波段進(jìn)行高光譜遙感研究具有獨(dú)特優(yōu)勢。受技術(shù)條件限制，其發(fā)展一 直相對緩慢，近年來隨著技術(shù)的進(jìn)步，高光譜紅外傳感器的研制和應(yīng)用才逐漸被世界各個(gè) 國家和機(jī)構(gòu)所重視，包括美國、歐盟在內(nèi)的多個(gè)組織和部門都在進(jìn)行熱紅外高光譜成像傳 感器的研制，。
[0003] 對高光譜成像儀而言，分光方式是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。一般而言，高光譜成像儀的 分光方式包括棱鏡分光、光柵分光、傅里葉變換分光等方式。其中棱鏡和光柵是常見的分 光方式，大多數(shù)的航空、航天平臺的高光譜成像儀均采用此方案，可以通稱為色散型分光方 式，傅里葉分光方式是通過光譜像元干涉圖與光譜圖之間的傅里葉變換關(guān)系，通過測量干 涉圖和對干涉圖進(jìn)行傅里葉變換來獲得物體的光譜信息，該方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜。對于可見與短 波紅外譜段的高光譜成像儀而言，色散型分光和傅里葉分光國內(nèi)均有成熟的設(shè)備（如機(jī)載 實(shí)用型模塊化成像光譜儀0MIS、環(huán)境衛(wèi)星載超光譜成像儀）。
[0004] 目前我國無論是機(jī)載平臺還是星載平臺尚無實(shí)用化運(yùn)行的熱紅外高光譜成像儀 載荷，由于其涉及到紅外背景的抑制及低溫光學(xué)的等技術(shù)難題，無論采用色散型分光方案 還是傅里葉分光方案，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)與可見光、短波紅外譜段的高光譜成像儀均有著極大的 不同，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本專利提供了一種實(shí)用型熱紅外高光譜成像儀載荷系統(tǒng)，解決紅外背景的抑制及 低溫光學(xué)的工程實(shí)現(xiàn)技術(shù)難題。
[0006] 本專利熱紅外高光譜成像儀工作于熱紅外譜段的高光譜成像儀載荷系統(tǒng)，它采用 色散型分光方式，利用平面光柵+三反射鏡組作為分光部件，載荷系統(tǒng)除前置望遠(yuǎn)鏡外其 它部件均工作于低于100K的深底紋環(huán)境下，紅外焦平面探測器采取特殊冷屏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能 夠抑制紅外背景輻射，使系統(tǒng)可以獲得目標(biāo)在8. 0~12. 5 μπι譜段之間多于180個(gè)的高光 譜圖像信息，是一種新型的可實(shí)用化熱紅外高光譜成像儀載荷系統(tǒng)。
[0007] 本專利的熱紅外高光譜成像儀載荷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如附圖1所示，它包括實(shí)時(shí)定標(biāo)裝置 1、前置望遠(yuǎn)鏡2、低溫冷箱鍺窗口 3、狹縫4、低溫光譜儀5、低溫冷箱6和熱紅外焦平面探測 器組件7。目標(biāo)景物的熱紅外輻射光譜信息經(jīng)前置望遠(yuǎn)鏡透過鍺窗口后會聚于狹縫處，狹縫 用于限制入射光的觀測瞬時(shí)視場，之后經(jīng)過低溫光譜儀的分光，將入射的目標(biāo)的熱紅外全 譜段光譜信號均勻色散開來，然后不同波段的光譜信息會聚于熱紅外焦平面探測器組件對 應(yīng)的焦面位置。圖1中的狹縫4、低溫光譜儀5、熱紅外焦平面探測器組件7均位于低溫冷 箱6內(nèi)部，在系統(tǒng)處于常溫常壓環(huán)境時(shí)，冷箱內(nèi)部為高真空狀態(tài)，其內(nèi)部部件由2臺斯特林 制冷機(jī)閉環(huán)制冷到100K，熱紅外焦平面探測器組件的光敏面由其自帶的小型制冷機(jī)制冷到 60K。鍺窗口位置位于低溫冷箱上，正對前置望遠(yuǎn)鏡，保證經(jīng)過前置望遠(yuǎn)鏡會聚的目標(biāo)光信 息進(jìn)入冷箱內(nèi)部不受遮擋，它采用真空法蘭和低溫冷箱進(jìn)行密封連接，工作于常溫狀態(tài)。
[0008] 當(dāng)熱紅外高光譜成像儀載荷系統(tǒng)工作時(shí)，可以獲取的目標(biāo)一個(gè)掃描條帶的高光譜 信息，通過遙感平臺（機(jī)載或者星載）推掃的方式獲得目標(biāo)的三維圖譜信息。
[0009] 本專利的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0010] (1)、通過低溫冷箱的設(shè)計(jì)降低儀器自身光機(jī)系統(tǒng)的紅外背景輻射，這樣目標(biāo)的熱 紅外高光譜信號不至于被淹沒在儀器自身的紅外背景輻射中，使得采用色散型分光方式的 高光譜成像儀器在熱紅外譜段進(jìn)行探測技術(shù)上變得可能；
[0011] (2)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)前置望遠(yuǎn)鏡不進(jìn)行低溫制冷，這樣對于本專利在具體實(shí)施中提出的 空間分辨率為lmrad、視場18度的適合于機(jī)載運(yùn)行的系統(tǒng)在直接更換望遠(yuǎn)鏡后實(shí)現(xiàn)更高的 分辨率（對應(yīng)視場變小），從而更加適合衛(wèi)星平臺的高分辨率觀測需求；
[0012] (3)、系統(tǒng)分光部件設(shè)計(jì)為三反射鏡+平面光柵的結(jié)構(gòu)，它放置于一個(gè)真空箱體內(nèi) 部，分光部件工作于低溫100K以下，該部件結(jié)構(gòu)小巧，采用2臺中功率的較大冷量的斯特林 制冷機(jī)即可實(shí)施制冷目標(biāo)，大大降低了大規(guī)模低溫系統(tǒng)研制的復(fù)雜性；
[0013] (4)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)有實(shí)時(shí)定標(biāo)裝置，該裝置放置于前置望遠(yuǎn)鏡之前，通過轉(zhuǎn)動(dòng)部件的 驅(qū)動(dòng)，對系統(tǒng)實(shí)施全路徑輻射定標(biāo)，可以提高機(jī)載或星載系統(tǒng)的定量化精度。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本專利的系統(tǒng)原理示意圖；圖中：
[0015] 1-實(shí)時(shí)定標(biāo)裝置；
[0016] 2-前置望遠(yuǎn)鏡；
[0017] 3 鍺窗口；
[0018] 4-狹縫；
[0019] 5-低溫光譜儀；
[0020] 6-低溫冷箱；
[0021] 7-熱紅外焦平面探測器組件。
[0022] 圖2是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成模塊圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面根據(jù)圖1~圖2給出本專利的一個(gè)較好的實(shí)施例，用以說明本專利的結(jié)構(gòu)特 征，技術(shù)性能和功能特點(diǎn)，本實(shí)施方式并不限定本專利的范圍。
[0024] 該系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：
[0025] > 光譜范圍：8. 0 ~12. 5 μ m
[0026] >光譜分辨率：優(yōu)于50nm
[0027] > 波段數(shù)：180
[0028] >瞬時(shí)視場：lmrad
[0029] >成像視場：18度
[0030] 灸探測器規(guī)模：320X256
[0031] >低溫光學(xué)溫度：〈100K
[0032] >探測器工作溫度：〈60Κ
[0033] 本系統(tǒng)包括如下幾個(gè)部分：
[0034] 1)前置望遠(yuǎn)鏡
[0035] 前置望遠(yuǎn)鏡工作于常溫溫度（無須單獨(dú)制冷），采用三片式物鏡結(jié)構(gòu)，三片透鏡材 料均為鍺，望遠(yuǎn)鏡最后一片為低溫冷箱的真空窗口，望遠(yuǎn)鏡的參數(shù)如下：
[0036] 望遠(yuǎn)鏡焦距：30mm
[0037] 望遠(yuǎn)鏡口徑：12. 5mm
[0038] 光學(xué)相對孔徑（F#) :2. 4
[0039] 觀測視場：18. Γ
[0040] 2)低溫冷箱光譜儀
[0041] 低溫冷箱內(nèi)部部件工作于100K以下的低溫狀態(tài)，由兩臺中功率斯特林機(jī)械制冷 機(jī)提供冷源進(jìn)行制冷。系統(tǒng)分光部件處于低溫冷箱內(nèi)部（如圖1模塊5所示），分光部件采 用全反射式的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過狹縫1后的目標(biāo)全波段光信號在分光部件三反射鏡系統(tǒng)的主反射 鏡、次鏡、三鏡的作用下，以平行光形式入射到平面光柵，平面光柵的主要參數(shù)如下：
[0042] >'光概尺寸：45mm X 45mm X IOmm ;
[0043] > 有效面積：40mmX 40mm ;
[0044] >光柵刻線：10線/mm ;
[0045] > 閃耀波長：10. 2 μ m ;
[0046] >閃耀角：2.9±0.1。。
[0047] 經(jīng)過平面光柵衍射后的光信號再依次經(jīng)過三反射鏡系統(tǒng)的三鏡、次鏡和主反射 鏡，會聚于分光部件的焦面位置，在系統(tǒng)光路的走向中，兩次用到了分光部件內(nèi)的同一個(gè)三 反射鏡系統(tǒng)，此三反射鏡系統(tǒng)即充當(dāng)準(zhǔn)直鏡又是會聚鏡，大幅縮小了光譜儀的結(jié)構(gòu)尺寸，也 進(jìn)而降低了低溫冷箱的實(shí)施復(fù)雜度。設(shè)計(jì)完成的分光部件參數(shù)如下：
[0048] > 光譜范圍： 8. 0 ~12. 5 μ m ;
[0049] >光譜分辨率：25nm ;
[0050] > 譜段數(shù)： 180 ;
[0051] >狹縫長度： 9.6mm;
[0052] > 光譜彎曲： < 5 μ m ;
[0053] >光譜畸變：<8μπι;
[0054] 分光部件外包絡(luò)尺寸：18(tomX183_X91_。
[0055] 3)熱紅外焦平面探測器組件
[0056] 選擇320X256規(guī)模HgCdTe材料的熱紅外焦平面探測器組件，該組件的焦面位置 放置于圖1所示的分光部件焦面位置7,其中熱紅外焦平面探測器的320方向?qū)?yīng)空間維， 256方向?qū)?yīng)光譜維。該探測器組件單獨(dú)采用一臺小型化斯特林制冷機(jī)對其進(jìn)行制冷，型號 為RM4-7i，使探測器工作于60K下的深低溫狀態(tài)，同時(shí)探測器組件和分光部件共用低溫冷 箱的同一個(gè)真空室。本方案采用的熱紅外焦平面探測器組件的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示：
[0057] 另外，在探測器光敏面之前設(shè)計(jì)有一冷屏及一低溫濾光片（帶通設(shè)置為8. 0~ 12. 5 μ m)，用于抑制探測器的在熱紅外譜段以外的響應(yīng)；
[0058] 4)實(shí)時(shí)定標(biāo)裝置
[0059] 熱紅外譜段（尤其是光譜信息）對溫度特性極為敏感，環(huán)境特性的稍微變化會引 起系統(tǒng)的整體響應(yīng)偏移，一般設(shè)置在軌實(shí)時(shí)定標(biāo)裝置對此加以修正。實(shí)時(shí)定標(biāo)裝置結(jié)構(gòu)如 圖1的模塊1所示，它是一個(gè)由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制平板黑體轉(zhuǎn)動(dòng)的部件，在執(zhí)行定標(biāo)任務(wù)過程 中，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)帶動(dòng)平板黑體充滿儀器的總視場進(jìn)行標(biāo)定，完成全路徑定標(biāo)，定標(biāo)的頻率根據(jù) 任務(wù)應(yīng)用需求制定。
[0060] 5)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)
[0061] 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)如圖2所示?？偪啬K實(shí)現(xiàn)對熱紅外焦平面探測器的時(shí)序驅(qū) 動(dòng)，探測器輸出的信號經(jīng)過信號放大、信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號緩存和輸出接口完成對探 測器信號的數(shù)據(jù)采集和傳輸，在整個(gè)過程中，主控模塊對各個(gè)部分進(jìn)行操控。

【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種實(shí)用型熱紅外高光譜成像儀載荷系統(tǒng)，包括實(shí)時(shí)定標(biāo)裝置（1)、前置望遠(yuǎn)鏡 (2)、低溫冷箱鍺窗口（3)、狹縫（4)、低溫光譜儀（5)、低溫冷箱（6)和熱紅外焦平面探測器 組件（7)，其特征在于： 目標(biāo)景物的熱紅外輻射光譜信息經(jīng)前置望遠(yuǎn)鏡（2)透過低溫冷箱鍺窗口（3)后會聚于 狹縫（4)處，之后經(jīng)過低溫光譜儀（5)的分光，將入射的目標(biāo)的熱紅外光譜信號均勻色散開 來，然后不同波段的光譜信息會聚于熱紅外焦平面探測器組件（7)對應(yīng)的焦面位置；系統(tǒng) 中的狹縫（4)、低溫光譜儀（5)、熱紅外焦平面探測器組件（7)均位于低溫冷箱（6)內(nèi)部，在 系統(tǒng)處于常溫常壓環(huán)境時(shí)，冷箱內(nèi)部為高真空狀態(tài)，其內(nèi)部部件由2臺斯特林制冷機(jī)閉環(huán) 制冷到100K，熱紅外焦平面探測器組件的光敏面由其自帶的小型制冷機(jī)制冷到60K ;低溫 冷箱鍺窗口（4)位置位于低溫冷箱上，正對前置望遠(yuǎn)鏡，保證經(jīng)過前置望遠(yuǎn)鏡會聚的目標(biāo) 光信息進(jìn)入冷箱內(nèi)部不受遮擋，它采用真空法蘭和低溫冷箱進(jìn)行密封連接，工作于常溫狀 態(tài)；熱紅外高光譜成像儀載荷系統(tǒng)工作時(shí)，可以獲取的目標(biāo)一個(gè)掃描條帶的高光譜信息，通 過機(jī)載或者星載遙感平臺推掃的方式獲得目標(biāo)的三維圖譜信息。
【專利摘要】本專利公開了一種實(shí)用型熱紅外高光譜成像儀載荷系統(tǒng)，它應(yīng)用于遙感領(lǐng)域。本專利涉及遙感領(lǐng)域的高光譜成像技術(shù)，它是一種利用低溫光學(xué)與特殊設(shè)計(jì)的熱紅外焦平面杜瓦組件抑制背景輻射，采用平面光柵設(shè)計(jì)的三反射復(fù)用結(jié)構(gòu)的熱紅外精細(xì)分光部件的集成系統(tǒng)，包括望遠(yuǎn)鏡、折轉(zhuǎn)鏡、三反射分光部件、熱紅外焦平面特殊組件、低溫光學(xué)系統(tǒng)。本專利可搭載于飛機(jī)、衛(wèi)星及深空探測器等多遙感平臺，被動(dòng)接收待測目標(biāo)的熱紅外輻射及光譜信息，得到目標(biāo)在8.0～12.5μm譜段的圖像及精細(xì)光譜信息。
【IPC分類】G01J3/28, G01J3/02, G01J3/10
【公開號】CN204964021
【申請?zhí)枴緾N201520372014
【發(fā)明人】王建宇, 李春來, 呂剛, 袁立銀, 金健, 陳小文, 劉恩光, 曾智江, 季鵬, 姬宏楨, 曹嘉豪
【申請人】中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
【公開日】2016年1月13日
【申請日】2015年6月2日