地基超光譜紅外干涉儀

地基超光譜紅外干涉儀

地基超光譜紅外干涉儀是大氣探測裝備測試評估與應用平臺中的重要設備,將用于支撐光電性能測試系統中對紅外光譜探測設備進行量值傳遞和標定,用于真實性檢驗分析評估系統中獲取高時間分辨率邊界層大氣廓線、大氣成分信息,研究衛星輻射數據校正方法。

地基超光譜紅外干涉儀又名傅里葉變換紅外遙感光譜輻射計,地基傅立葉變換高光譜儀,它是大氣探測裝備測試評估與應用平臺中的重要設備,將用于支撐光電性能測試系統中對紅外光譜探測設備進行量值傳遞和標定,用于真實性檢驗分析評估系統中獲取高時間分辨率邊界層大氣廓線、大氣成分信息,研究衛星輻射數據校正方法。

 

基本信息

型號 ASSIST II

主要研發人 William L. Smith, Sr

產品名稱 地基光譜儀 ?紅外光譜輻射計? 地基傅立葉變換高光譜儀(專用于大氣探測)

安裝地基光譜儀

LR TECH公司LUKE先生安裝地基光譜儀ASSIST II

國內使用單位 遙感科學國家重點實驗室(中國科學院遙感與科學地球研究所)地理信息科學教育部重點實驗室(華東師范大學)

原理

地基超光譜紅外干涉儀利用傅里葉變換紅外光譜技術(FTIR),該技術是20 世紀80年代興起的新光譜學方法,屬于遙感型應用。叉骨式干涉儀(米克爾遜原理),將干涉信號變換為光譜信息。利用分子結構的不同,獲得不同物質的分子振動光譜及轉動光譜,對照數據庫來定義未知物的成分。目標及場景的紅外輻射進入到干涉儀系統,將干涉信號準直輸入到紅外探測器(雙探測器MCT和InSb)組件后將原始數據輸入數據處理系統,經傅里葉變換為未標定的光譜數據;此時,數據只是相對值,經高精度黑體模塊(提供準確的溫度數據)獲得絕對的輻射亮度數據或目標溫度數據。再與數據庫對比獲得定性及定量數據。 任何物質內部的分子結構都有對應的光譜特征。而紅外光譜是大氣中各種氣體的特性表征,如:水汽,二氧化碳,各種有機物等。通過儀器對各種氣體物質的紅外輻射,獲得它們的光譜信息,通過吸收峰的波長及吸收度,通過標準定標,就可以有效地獲得相關數據

功能

地物大氣光譜數據;反演對流層大氣數據,反演衛星地面站定標,修正衛星低空數據

用途

觀察大氣中水蒸氣,二氧化碳,有機物,氣溶膠,微小沙塵等密度分布。

傅里葉變換紅外遙感光譜輻射計是大氣探測裝備測試評估與應用平臺中的重要設備,將用于支撐光電性能測試系統中對紅外光譜探測設備進行量值傳遞和標定,用于真實性檢驗分析評估系統中獲取高時間分辨率邊界層大氣廓線、大氣成分信息,研究衛星輻射數據校正方法。

(1)利用高光譜/超光譜信息進行大氣測量是大氣探測技術發展的重要趨勢,傅立葉變換技術在紅外高光譜分析方面有著明顯的優勢,利用此類設備可以獲得紅外波段高光譜輻射數據對紅外光譜探測設備進行量值傳遞和標定。

(2)紅外高光譜傅里葉變換技術對于平流層和對流層中存在的氣體,如一些重要的氣體CO2、CH4、CO、HCl、HF 和HNO3 等的研究提供了極為有效的手段,該技術利用太陽光作為紅外吸收/發射光源,可直接、迅速獲取大量常規手段難以得到的大氣成分信息。利用此類設備可以對溫度、水汽、臭氧廓線及大氣成分含量的反演方法、測量手段進行研究。

(3)衛星輻射數據受到邊界層云、氣溶膠以及地表溫度和空氣溫度差異較小等因素的影響,在邊界層的測量準確性需要進行校正。目前國內這方面工作處于起步階段,該設備可以獲取500~5,000 cm-1光譜范圍的高分辨率的數據,為研究衛星輻射數據校正方法提供了研究基礎。

(4)測量物體發射率,因為ASSIST內置高溫黑體和低溫黑體,所以可以直接測量物體發射率,無需外置黑體比對來獲得發射率。

主要技術指標

1 光譜范圍: 500cm-1 – 5,000cm-1

2 光譜分辨率:最高為0.7cm-1(未切趾)

3 數據采集率:32KHz-1000KHz(計算機設定)

4 Edgar采集,處理軟件

ASSIST II將中紅外光譜儀系統集成到一起,可以自主分析溫度/濕度和地面發射的測算。系統配置緊湊,方便安裝,并提供其他的通信網關接口。該儀器可以有效的獲取典型地物的比輻射率波譜,將提高地表溫度與比輻射率的遙感真實性檢驗的可信度和精確度,提高地表能量平衡估算的精度。

結構組成

ASSIST II 傅里葉變換紅外遙感光譜輻射計包括:

雙臂傅里葉變換干涉儀,配備立方角鏡:
DET-2M2 紅外探測器組件雙色檢測器組件覆蓋整個紅外區間;
光譜范圍: 500到 5,000cm-1。最高光譜分辨率: 0.7 cm-1(未切趾處理);
斯特林制冷, 77K條件下工作。
含 AFT光路系統 f#3.5;密封,準直系統

數字化 FTS控制器及采集系統;

軟件包含 GUI及輻射計量處理工具

BBYCAL-M2 定標模塊輻射定標模塊包括: 2個高發射率黑體; 2通道黑體控制器( BC-232C), 和物鏡及總控制器

EDGAR-SOFT 輻射計量軟件包實時記錄,反演地物或大氣輻射輪廓信息??深A編程序用于采集實驗數據過程

ENCL-2 儀器環控系統: ?完整的密閉艙室 ?自動艙口及控制器 ?遙控系統各部分耗電分布溫度,氣流控制,可使儀器在惡劣條件工作 (-10C° to +40C°)

 

國內相關設備及主要差距

干涉式野外探測光譜儀是高精密光、機、電一體設備,制造加工工藝復雜,需要豐富的工程制造經驗和較高的工藝水平。光學模塊包括前端成像系統、干涉儀、后端聚焦系統及探測系統等,其中干涉儀加工工藝復雜,是光學模塊的核心部件,另外探測器也是本系統中很重要的部件,這兩者的優劣直接關系到所采集光學信號質量的好差。在干涉儀的制作過程中,需要具有相當經驗的光學機械工程師才能制造出較好的干涉儀。國產光譜儀之所以性能差,很大一部分受制于干涉儀的加工制作水平。

目前國內沒有成熟的傅里葉變換紅外遙感光譜輻射計。北京瑞利光學儀器廠進行研究試制過傅里葉變換紅外光譜,但其加工制作水平只能滿足一般的實驗室和教學使用,無法滿足野外探測使用的要求。另外,作為另一重要部件的探測器,國內生產的探測器靈敏度不夠,不能滿足野外探測所需的性能指標要求。

根據國內相關單位的最新研究進展,將相關指標與國外主要廠商的野外廠商的產品比較如下:

國內研究水平 國外主要廠商水平

光譜分辨率 要達到1cm-1,體積會增大 基本都達到1cm-1

光譜精度?? 一般 較好

光譜穩定度? 一般 較好

二次曲面加工精度 接近國外主流廠商水平 稍好

探測器靈敏度(以InSb為例) 109—1010量級 1010—1011量級,基本比國內高一個量級

探測器穩定性 一般 較好,測量周期內穩定性好

掃描速度 較慢 比較快

點擴散線型 一般 較好

光通大小 差不多 差不多

整體結構設計 設計一般 結構緊湊,空間利用率高

重量 較笨重,單臺套研制居多,沒有形成商業化生產的優化設計 比國產輕,操作方便

數據采集 由于國內高速A/D和FPGA方面同樣收支與國外,數采這一塊與國外亦有差距 較好

操作軟件開發 單套開發,人機界面無友好性可言 商業化、軟件成熟、功能全面、界面友好

數據后處理 較復雜,需編程解決 較方便

光學結構及特性

設計要求

使用場合: 野外輻射目標

光譜范圍: 1~3Lm ; 3~5Lm; 8~14Lm

分光方式: 波段帶通或窄帶分光(分光原理與LR-TECH不同)

目標距離: ≥3m

采樣直徑: ≥5 35mm ( 5m 處)

目標系統: 無視差方式

設計思路

( 1) 野外便攜使用, 光學結構應當盡可能緊湊; 為兼顧紅外窄帶分光, 要提高能量的 利用, 使用盡可能少的光學元件。

( 2) 為適應 1~14Lm 的光譜范圍, 同時爭取盡可能好的像質, 采用反射式非球面光 學系統;

( 3) 采用移動物鏡滿足目標對焦;

( 4) 采樣直徑根據探測器及光路設計統一考慮;

( 5) 目標系統與探測器主光路使用同一物鏡以消除視差。

光學結構只是紅外光譜輻射計中的一個重要組成部分, 影響整體性能的因素還有很多。在紅外光譜輻射計的研制工作中, 有以下問題同樣需要給予足夠的重視:

( 1) 關于紅外漸變濾光片( CV F) 的準確標定, 尤其要注意 CVF 中三片濾光片存在一 定波長范圍的斷點, 要采用插值及數值逼近等工程數學方法解決。

( 2) 關于調制形式的選取及調制頻率的確定。

( 3) 關于 紅外 探測器 前置放 大器的 選擇、最佳工作點及其增益的確定, 關于紅外光伏型探測器偏置電源的選擇。

( 4) 紅外探測器的選擇應估計入射輻射能量的量級, 核算紅外探測器的噪聲等效功率 NEP 及探測率 D * 。所選探測器的時間常數應小于目標變化的最短時間間隔, 探測器的時間常數應遠小于調制信號的周期。也應注意紅外調探測 器敏感元的最佳面積 的確定、測量系統像差與衍射、線性工作范圍、窗口位置、降低背景噪聲等方面。

( 5) 參考背景或參考溫度的確定。

( 6) 鎖相放大器的品 質因數 Q 值 的選取, 鎖相放大器閉環應用時間同步頻率的獲取方式。

( 7) 采取減 少輻射干擾、防震、屏 蔽、信號傳輸電纜的連接等方面的措施。

Bookmark the permalink.

發表評論