地基超光谱红外干涉仪

地基超光谱红外干涉仪

地基超光谱红外干涉仪是大气探测装备测试评估与应用平台中的重要设备,将用于支撑光电性能测试系统中对红外光谱探测设备进行量值传递和标定,用于真实性检验分析评估系统中获取高时间分辨率边界层大气廓线、大气成分信息,研究卫星辐射数据校正方法。

地基超光谱红外干涉仪又名傅里叶变换红外遥感光谱辐射计,它是大气探测装备测试评估与应用平台中的重要设备,将用于支撑光电性能测试系统中对红外光谱探测设备进行量值传递和标定,用于真实性检验分析评估系统中获取高时间分辨率边界层大气廓线、大气成分信息,研究卫星辐射数据校正方法。

 

基本信息

型号 ASSIST II

主要研发人 William L. Smith, Sr

产品名称 地基光谱仪  红外光谱辐射计(专用于大气探测)

安装地基光谱仪

LR TECH公司LUKE先生安装地基光谱仪ASSIST II

国内使用单位 遥感科学国家重点实验室(中国科学院遥感与科学地球研究所)地理信息科学教育部重点实验室(华东师范大学)

原理

地基超光谱红外干涉仪利用傅里叶变换红外光谱技术(FTIR),该技术是20 世纪80年代兴起的新光谱学方法,属于遥感型应用。叉骨式干涉仪(米克尔逊原理),将干涉信号变换为光谱信息。利用分子结构的不同,获得不同物质的分子振动光谱及转动光谱,对照数据库来定义未知物的成分。目标及场景的红外辐射进入到干涉仪系统,将干涉信号准直输入到红外探测器(双探测器MCT和InSb)组件后将原始数据输入数据处理系统,经傅里叶变换为未标定的光谱数据;此时,数据只是相对值,经高精度黑体模块(提供准确的温度数据)获得绝对的辐射亮度数据或目标温度数据。再与数据库对比获得定性及定量数据。 任何物质内部的分子结构都有对应的光谱特征。而红外光谱是大气中各种气体的特性表征,如:水汽,二氧化碳,各种有机物等。通过仪器对各种气体物质的红外辐射,获得它们的光谱信息,通过吸收峰的波长及吸收度,通过标准定标,就可以有效地获得相关数据

功能

地物大气光谱数据;反演对流层大气数据,反演卫星地面站定标,修正卫星低空数据

用途

观察大气中水蒸气,二氧化碳,有机物,气溶胶,微小沙尘等密度分布。

傅里叶变换红外遥感光谱辐射计是大气探测装备测试评估与应用平台中的重要设备,将用于支撑光电性能测试系统中对红外光谱探测设备进行量值传递和标定,用于真实性检验分析评估系统中获取高时间分辨率边界层大气廓线、大气成分信息,研究卫星辐射数据校正方法。

(1)利用高光谱/超光谱信息进行大气测量是大气探测技术发展的重要趋势,傅立叶变换技术在红外高光谱分析方面有着明显的优势,利用此类设备可以获得红外波段高光谱辐射数据对红外光谱探测设备进行量值传递和标定。

(2)红外高光谱傅里叶变换技术对于平流层和对流层中存在的气体,如一些重要的气体CO2、CH4、CO、HCl、HF 和HNO3 等的研究提供了极为有效的手段,该技术利用太阳光作为红外吸收/发射光源,可直接、迅速获取大量常规手段难以得到的大气成分信息。利用此类设备可以对温度、水汽、臭氧廓线及大气成分含量的反演方法、测量手段进行研究。

(3)卫星辐射数据受到边界层云、气溶胶以及地表温度和空气温度差异较小等因素的影响,在边界层的测量准确性需要进行校正。目前国内这方面工作处于起步阶段,该设备可以获取500~5,000 cm-1光谱范围的高分辨率的数据,为研究卫星辐射数据校正方法提供了研究基础。

(4)测量物体发射率,因为ASSIST内置高温黑体和低温黑体,所以可以直接测量物体发射率,无需外置黑体比对来获得发射率。

主要技术指标

1 光谱范围: 500cm-1 – 5,000cm-1

2 光谱分辨率:最高为0.7cm-1(未切趾)

3 数据采集率:32KHz-1000KHz(计算机设定)

4 Edgar采集,处理软件

ASSIST II将中红外光谱仪系统集成到一起,可以自主分析温度/湿度和地面发射的测算。系统配置紧凑,方便安装,并提供其他的通信网关接口。该仪器可以有效的获取典型地物的比辐射率波谱,将提高地表温度与比辐射率的遥感真实性检验的可信度和精确度,提高地表能量平衡估算的精度。

结构组成

ASSIST II 傅里叶变换红外遥感光谱辐射计包括:

双臂傅里叶变换干涉仪,配备立方角镜:
DET-2M2 红外探测器组件双色检测器组件覆盖整个红外区间;
光谱范围: 500到 5,000cm-1。最高光谱分辨率: 0.7 cm-1(未切趾处理);
斯特林制冷, 77K条件下工作。
含 AFT光路系统 f#3.5;密封,准直系统

数字化 FTS控制器及采集系统;

软件包含 GUI及辐射计量处理工具

BBYCAL-M2 定标模块辐射定标模块包括: 2个高发射率黑体; 2通道黑体控制器( BC-232C), 和物镜及总控制器

EDGAR-SOFT 辐射计量软件包实时记录,反演地物或大气辐射轮廓信息。可预编程序用于采集实验数据过程

ENCL-2 仪器环控系统: •完整的密闭舱室 •自动舱口及控制器 •遥控系统各部分耗电分布温度,气流控制,可使仪器在恶劣条件工作 (-10C° to +40C°)

 

国内相关设备及主要差距

干涉式野外探测光谱仪是高精密光、机、电一体设备,制造加工工艺复杂,需要丰富的工程制造经验和较高的工艺水平。光学模块包括前端成像系统、干涉仪、后端聚焦系统及探测系统等,其中干涉仪加工工艺复杂,是光学模块的核心部件,另外探测器也是本系统中很重要的部件,这两者的优劣直接关系到所采集光学信号质量的好差。在干涉仪的制作过程中,需要具有相当经验的光学机械工程师才能制造出较好的干涉仪。国产光谱仪之所以性能差,很大一部分受制于干涉仪的加工制作水平。

目前国内没有成熟的傅里叶变换红外遥感光谱辐射计。北京瑞利光学仪器厂进行研究试制过傅里叶变换红外光谱,但其加工制作水平只能满足一般的实验室和教学使用,无法满足野外探测使用的要求。另外,作为另一重要部件的探测器,国内生产的探测器灵敏度不够,不能满足野外探测所需的性能指标要求。

根据国内相关单位的最新研究进展,将相关指标与国外主要厂商的野外厂商的产品比较如下:

国内研究水平 国外主要厂商水平

光谱分辨率 要达到1cm-1,体积会增大 基本都达到1cm-1

光谱精度   一般 较好

光谱稳定度  一般 较好

二次曲面加工精度 接近国外主流厂商水平 稍好

探测器灵敏度(以InSb为例) 109—1010量级 1010—1011量级,基本比国内高一个量级

探测器稳定性 一般 较好,测量周期内稳定性好

扫描速度 较慢 比较快

点扩散线型 一般 较好

光通大小 差不多 差不多

整体结构设计 设计一般 结构紧凑,空间利用率高

重量 较笨重,单台套研制居多,没有形成商业化生产的优化设计 比国产轻,操作方便

数据采集 由于国内高速A/D和FPGA方面同样收支与国外,数采这一块与国外亦有差距 较好

操作软件开发 单套开发,人机界面无友好性可言 商业化、软件成熟、功能全面、界面友好

数据后处理 较复杂,需编程解决 较方便

光学结构及特性

设计要求

使用场合: 野外辐射目标

光谱范围: 1~3Lm ; 3~5Lm; 8~14Lm

分光方式: 波段带通或窄带分光(分光原理与LR-TECH不同)

目标距离: ≥3m

采样直径: ≥5 35mm ( 5m 处)

目标系统: 无视差方式

设计思路

( 1) 野外便携使用, 光学结构应当尽可能紧凑; 为兼顾红外窄带分光, 要提高能量的 利用, 使用尽可能少的光学元件。

( 2) 为适应 1~14Lm 的光谱范围, 同时争取尽可能好的像质, 采用反射式非球面光 学系统;

( 3) 采用移动物镜满足目标对焦;

( 4) 采样直径根据探测器及光路设计统一考虑;

( 5) 目标系统与探测器主光路使用同一物镜以消除视差。

光学结构只是红外光谱辐射计中的一个重要组成部分, 影响整体性能的因素还有很多。在红外光谱辐射计的研制工作中, 有以下问题同样需要给予足够的重视:

( 1) 关于红外渐变滤光片( CV F) 的准确标定, 尤其要注意 CVF 中三片滤光片存在一 定波长范围的断点, 要采用插值及数值逼近等工程数学方法解决。

( 2) 关于调制形式的选取及调制频率的确定。

( 3) 关于 红外 探测器 前置放 大器的 选择、最佳工作点及其增益的确定, 关于红外光伏型探测器偏置电源的选择。

( 4) 红外探测器的选择应估计入射辐射能量的量级, 核算红外探测器的噪声等效功率 NEP 及探测率 D * 。所选探测器的时间常数应小于目标变化的最短时间间隔, 探测器的时间常数应远小于调制信号的周期。也应注意红外调探测 器敏感元的最佳面积 的确定、测量系统像差与衍射、线性工作范围、窗口位置、降低背景噪声等方面。

( 5) 参考背景或参考温度的确定。

( 6) 锁相放大器的品 质因数 Q 值 的选取, 锁相放大器闭环应用时间同步频率的获取方式。

( 7) 采取减 少辐射干扰、防震、屏 蔽、信号传输电缆的连接等方面的措施。

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