[科普中国]-红外遥感系统

简介

红外遥感系统将红外遥测探测器的图像表征，继而将视觉模型和遥感成像系统联立，建立起包含成像组件、显示器图像、人眼观测等部件的遥感系统。红外遥感系统性能预测和图像分析已成为遥感成像领域的研究重点方向之一。

红外遥感红外遥感（infraredremotesensing）是指传感器工作波段限于红外波段范围之内的遥感。电磁波谱中，通常把波长范围为0.76～1000微米这一波谱区间称为红外波谱区。其中，又分为近红外（0.76～3.0微米）、中红外（3.0～6.0微米）和远红外（6.0～15.0微米）和超远红外（15.0～1000微米）。也可把近红外和中红外统称反射红外；把远红外称为热红外（8～14微米）或发射红外。虽然红外波谱区很宽，但由于大气的吸收，实际上仅有几个红外“窗口”可利用。常用的红外波段有近、中红外的0.3～1.3微米、1.5～1.8微米、2.0～2.6微米、3.0～3.6微米、4.2～5.0微米和远红外的7.0～15.0微米。近红外波段主要用于光学摄影，如红外或彩色红外摄影，只能在白天工作；也用于多波段摄影或多波段扫描。远红外（热红外）由于是地物自身辐射的，主要用于夜间红外扫描成像。红外遥感在军事侦察，探测火山、地热、地下水、土壤温度，查明地质构造和污染监测方面应用很广，但不能在云、雨、雾天工作。

地面初级辐射定标定义地面初级辐射定标是红外空间遥感系统研制过程中的一项重要工作。所有的红外遥感仪器，其测量结果及其有效性必须严格建立在数据定量化的基础上，在使用之前，都必须经过地面定标。

空间红外遥感系统的辐射定标，是一件非常困难和复杂的工作。涉及的方面有:初级与飞行定标技术、标准的建立与传递、定标理论与概念、各种源的制作和评价、源辐射理论分析、定标真空设备的研制、误差校正、源温度的精确控制等。1

辐射定标这里讨论的辐射定标，限制在热波段(8~14km)辐射范围之内、标准和工作黑体大致也限制在中低温(500K以下)和热波段范围之内。

简单说来，辐射定标是指对辐射测量仪器的输出数据进行校准并建立可对照量度的过程。用一个辐射源提供已知的入射通量，测出辐射计探测器对此通量的响应信号。在测得响应率值后，依据它对未知源所发出信号的测量，就能正确地推算未知入射通量之值。

辐射定标涉及到二个基本问题:辐射通量的测量与已知辐射源的建立。定标测量同样是在离已知辐射源一定距离上进行的，辐射计响应的是落在其输入端(光学孔径)上的照度，即辐射通量密度。辐照度是辐射计测量的一个基本量。当辐射通量为一平表面截获时，往往要求知道单位面积所截获的辐射通量。用所截获的辐射通量除以平面的面积，就是这一平面上平均的辐射通量密度，如图。

在描述辐射源的发射本领时，还要区分两种不同的情况:点源和扩展源(面源)。在对红点源的情况比较简单，可以用它在某一方向上的单位立体角内所发射的辐射功率来表示源的发射本领，叫做“辐射强度”。换句话说，点源在某一方向上的辐射强度就是在那个方向上单位立体角内源所发射出去的辐射通量。

对于扩展源，则要考虑到源的面积大小和发射方向。我们用在某方向单位立体角内，垂直于该方向平面上的源投影的单位面积所发射的辐射通量来描述扩展源的发射特性，量度称做“辐射率(辐射亮度)”。辐射率的概念是为了与亮度概念取得一致而提出的。

定标的另一个先决条件是必须建立一台已知分谱辐射率的热定标源。这种近似环境温度的定标源还必须有一个已知温度，并接近黑体(比辐射率、要高，近似于1)。辐射率较高的定标源，比辐射率可以稍低一些，但也必须是已知的。

红外辐射计的热定标今天仍广泛采用的是黑体型辐射源。

应用遥感技术与日蓬勃发展，在地矿、石油、水文、林业、土地、测绘等领域迅速推广应用.可见光波段所提供的信息最直观，且视域广，获取资料速度快，是遥感信息应用中最广泛的一种.

陆地和军事观测80年代初期，美国成功地进行了航天飞机多波段红外辐射计(SMIR)实验，取得了0.6~2.5协m区域的10个波段的近红外反射辐射数据，确定了所测辐射数据值与地面测量的反射率数据之间的相关关系，用于评价不同大气吸收对遥感反射辐射值的影响和选择确定识别岩石单元、地质填图的有效波段。

目前除美国外，澳大利亚已研制出实用的4波段的多光谱扫描仪。我国也研制出多种航空多光谱扫描仪和成像光谱仪，已进行了成功的飞行试验。

近年，红外热像仪、夜视装置、机载前视装置、机载红外扫描成像实时显示技术、红外成像跟踪制导和红外辐射特性测量的有关仪器、地面红外光谱仪、红外警戒、红外测温和红外测湿等仪器发展很快。这次中东战争，美国、西欧、苏联发射几十颗军事侦察卫星、红外遥感器是主要侦察手段之一。多国部队的侦察飞机和相当数量的飞机配备有红外装置。可以这样说，红外遥感技术是从军事应用发展起来的，到目前为止最先进的红外遥感技术仍在军事上应用。

国际上成像光谱仪是一项遥感前沿技术，它在地学遥感、天文观测和军事侦察等方面有广阔的应用前景，也是未来空间站考虑安装的遥感器。2

大气、气象和海洋观测遥感器的探测波长区域大多数是以红外波段为主，探测波长范围已扩展到40~50μm，探测器类型有红外扫描仪、辐射计、自旋扫描辐射计、临边扫描仪、剖面辐射计、千涉仪、光谱仪以及它们的组合型式。将这些类型的红外遥感器装载在气象卫星和航天飞机上，对水平和纵向大气层、陆地、海面和气象进行观测。红外遥感已成为气象监测和预报必不可少的较为成熟的手段，还可监测臭氧层密度和高度分布以及有害气体在大气中的分布。

在海洋研究方面有机载和星载多种红外遥感器，如机载紫外/红外扫描仪(AUV/IRS)、红外激光萤光系统、海洋和气象卫星装载的可见一热红外辐射计(VTIR)、海岸带彩色扫描仪等等，主要用于海洋环境、海水污染、近海面叶绿素的丰度和浓度的监测，水的混浊度、海面温度、海水范围的调查以及海流图的编制，为海洋生物学者和渔业提供信息。海洋遥感多与气象遥感和陆地遥感相结合。2

资源调查与环境监测机载成像光谱仪在前述样机的基础上，作为第二代遥感器在90年代仪器将趋于定型，向实用化、商业化方向发展。随着面阵探测器和红外敏感元件工艺的提高，每行像元数由AVI/RIS的550将提高到数千个，波段数和分辨率也将成倍提高。热红外成像光谱仪将开始研制。16~32元线阵探测器热红外多光谱扫描仪将投人试验和使用，我国成像光谱仪和热红外遥感技术也将向世界上最先进的美国靠近。

有源/无源双工红外成像系统系一种同时具有有源的红外激光成像系统和无源的红外成像系统两种功能的机载红外遥感器。有源系统探测景物的反射率差异，无源系统探测温度和辐射系数(率)的差异。大多数自然景物和军事目标的反射率差异多于温度的差异。

有源成像系统对目标剩余反射灵敏，而无源系统对燃火和热辐射灵敏。这台仪器具有两种系统探测能力的优点，对于识别地面目标是很有利的。另外，应开展有源红外激光遥感器研究，它能取得被动系统无法得到的极窄波段的数据。2

地球辐射和天文观测为了研究地球辐射平衡，美国设计出“地球辐射收支实验装置(ERBE)”。它是由两台仪器组成的8个通道的遥感器。一台仪器是大、中视场仪器，另一台仪器是扫描仪。大中视场仪器包含5个通道，其中4个通道主要是观测星下天底点的大地，它安装在单轴常平架上，当与轨道运动配合使用时，能用于对太阳观测的纯运动进行周期校正。

航天飞机红外望远镜装置(SIRTF)系用于天文观测的遥感器。它是lm级的双折叠式格里高利望远镜，次折叠镜能够提供空间遮光和像移补偿数据。

成像干涉仪是一种利用可见一近红外光的米切尔森干涉技术进行光谱分光后再成像的遥感器。光经分光后汇聚到焦平面上，在焦平面上放置42元硫化铅探测器线阵。探测器将光能转变成电信号，经电子放大后用显示器显示图像或记录在磁带上。2