[科普中国]-多光谱传感器

系统结构

多光谱传感器的系统结构, 包括光学部分和控制/ 显示部分。

光学部分包括利用离轴3镜反射光学元件的成像光学元件、利用分光镜来划分谱段的分光元件。所划分的6 个谱段需要用6个探测器, 分别是3个可见光探测器、1个近红外探测器、1个中波红外探测器、1个长波红外探测器。标准温度板放置在中央图像的周围以补偿红外探测器的非均匀性。

控制/显示部分包括控制器、图像信号处理器、温度控制器和显示器(屏幕), 其中, 控制器、图像信号处理器控制6 个谱段的图像。在可见光和近红外谱段以8bit的速度对信号进行处理, 在红外谱段是以12bit的速度对信号进行处理。数字化图像被记录在光学磁盘上。温度控制器将光学元件控制在20 ℃ 一40 ℃范围内。显示器(屏幕) 可显示出控制器/ 信号处理器处理过的图像,图像水平分辨率高于1000线。1

光学通路多光谱传感器的光学通路图, 包括成像光学元件和划分光谱的光学元件。成像光学元件使用的是离轴3镜反射光学元件, 它可在宽的视场内提供一个光谱范围宽、分辨率高的无遮挡视场。3镜式像散透镜由2个非球面镜和1个球面镜组成, 成为一个具有远心焦平面的结构。

划分光谱的光学元件由4 个分光镜组成。被称为Drude的分光镜首先将光线分成可见光/近红外和红外谱段, 然后再用另外3 个分光镜将光谱范围分成3 个可见光、1个近红外、1个中波红外和1个长波红外谱段。

中央图像被传输到放大系数约为1/ 2.6 的红外探测器上以便校正可见光/ 近红外和中波/长波红外之间的像面差。具有1000个元件的CCD用于3个可见光谱段和一个近红外谱段, 具有960个元件的HgCdTe线阵用于中波红外和长波红外谱段。1

具体设计传感器的外壳内装有一个用于接收被测辐射的入射孔径。在入射孔径后面的辐射路径中,光学装置将人射光束分裂, 使其进入若干个滤光片, 这些滤光片具有各不相同的光谱透射范围, 超出这些范围, 它们都是反射的。在这些滤光片后面的部分光束的辐射通路中装有辐射敏感元件。滤光片与入射光束的光轴是平行排列的。光学装置镜面互相相对倾斜, 它们对于被测光束的光谱范围是高度反射的。光学装置是一个棱锥体, 它有一个对角的基表面, 其棱角的数目与滤光片的数目相对应。2

多光谱成像系统利用，而不是通常用于红外成像所用的准单色照明多种光照波长。正交的线性偏振配置强调这多光谱光，能穿透皮肤的表面。然后经过光从之前对图像阵列皮肤出现多重散射事件。在避免了红外光学现象，多光谱成像传感器，能够收集更多的识别从手指比红外传感器的数据。多光谱成像传感器可以透过国际公路货运的无缝集成为一个红外图像系统，也可以独立的。

国内外发展状况在红外多光谱传感器的生产研制方面，国外的研究起步较早，也取得了大量成果。20世纪80年代成像光谱仪的出现是国际遥感发展史上具有标志性的成果，它的出现开启了多光谱成像探测技术的开端。英国率先研制成功了双色SPRITE探测器，之后在TICMII的基础上，研制出了两波段的热像仪。法国于1977年研制出了实用化的双波段搜索跟踪系统“VAMPIR”，并将该系统装备在两艘导弹驱逐舰上。自从1983年美国喷气推进实验室(JPL)研制成功第一台成像光谱仪(AISI)以来，多光谱成像系统的研究日趋活跃。美国OKSI公司在1922年，设计了工作在可见/近红外及中波红外的智能导引头多光谱成像仪。该多光谱传感器采用卡塞格林物镜将入射光进行会聚，后端采用分光镜将500-1000nm可见/近红外光反射进入相应分光子光路，采用256.256元CCD探测器接收；将2.5-5μm中波红外辐射透射过分光镜至红外分光子光路，并采用160.120元InSb阵列接收。3

美国军方“联合多光谱计划(JMSP)于1993年11月和1994年6月进行了红外多光谱现场测试。在试验中，对目标和背景的光谱特征进行综合分析后，确定了带宽为200μm，中心波长分别为8.7μm、9.15μm、9.35μm的三个最佳工作波段，这三个波段已成为机载前视红外(FLIR)系统的推荐工作波段。

最近，在美国的“国家导弹防御计划”中，采用了可见光、短波红外、中波红外和长波红外四个光谱段对地基动能拦截器的大气层外目标拦截的效果进行观测评估。

此外，在经典的双波段探测技术上，人们没有停止过对最佳工作波段的探索。荷兰国防、保密与安全研究机构的工作人员提出了一种在中波红外范围寻求两个最佳波段组合的方法，该方法确定的两个工作波段分别为4.49~4.56μm和3.5μm附近的一个窄波段。这种波段组合很大程度上提高了红外传感器的探测距离。美国的“战区导弹防御计划”和“国家导弹防御计划”在研究处于助推阶段的弹道导弹时，采用了3~5μm和8~12μm的波段组合，较好的实现了成像探测。

最近几年，随着各方面相关技术的快速发展，多光谱传感器在高速场景的实时成像探测方面已成为可能。2005年3月，由美国导弹防御局(MDA)倡导的小企业创新计划(SBIR)中就出现了“瞬时事件的超光谱/多光谱成像”项目。

目前，许多国家都投入到红外多光谱传感器的研制中，并研制出了四五十种各具特色的多光谱成像传感器，这些传感器有的己经进入了商业运营，技术比较成熟。

经过近几年的发展，国内红外多光谱成像技术已经取得了长足的进步，包括光学系统的设计、非球面以及衍射光学元件的应用、探测器的研究等。但是由于国内对于红外热成像技术的研究起步较晚且受到国外的技术封锁，水平与规模和国外相比尚有一定的差距。3