作者 / 岳松 湖北久之洋紅外系統有限公司 高級工程師01基本概念紅外成像光譜儀具有“圖譜合一”的特性，結合傳統光譜儀和光電成像技術的特點，可同時提供圖像二維空間信息和光譜信息，實現對目標場景的探測和深度分析，在農作物檢測、氣體檢測、食品檢測、垃圾分揀、國防研究、公共安全等領域均有廣泛的應用，滿足現場分析的要求。
圖1. 根據分光原理，紅外分光成像儀可提供圖像的二維信息和光譜信息
圖2. 紅外成像光譜儀的三種類型成像光譜儀是通過過濾器形成一定窄波段的光譜，然后成像到焦平面探測器陣列。該成像光譜儀結構簡單，實現方便，光譜通道數一般較少。隨著聲光可調過濾器、液晶可調過濾器和漸變過濾器的成熟，過濾成像光譜儀的光譜分辨率、體積重量和響應速度大大提高，但光譜分辨率低，波段有限。
圖3. 色散紅外成像光譜儀利用特定的色散元件（也稱為分光元件）分散復色光，在探測器上獲得每個光譜元件的直接光譜強度。棱鏡分光利用棱鏡材料對不同波長光的不同折射原理；光柵分光利用光柵縫的衍射和縫間的干擾。光柵分光的特點是結構簡單，光譜分辨率高，但存在光通量小、色散的非線性問題，設備需要清洗或清洗。
圖4. 干涉光譜成像技術通過測量干涉儀產生的干涉圖和傅里葉改變積分來測量和研究光譜圖像。原則上可分為時間調制型和空間調制型。時間調制類型是通過干涉儀中動鏡的運動產生不同的光程差，以時間點的形式記錄不同光程差下所有不同干涉級別的干涉圖信號，探測器在同一光程差中獲得所有目標的強度圖像。空間調制模型通過剪切分束器產生不同的光程差，在一定空間方向的不同位置產生不同目標的干擾級別，在垂直方向對應不同的空間目標；在某一時刻獲得不同目標的干擾強度圖像。紅外成像光譜儀的光譜分辨率高，光通量大，雜散光低，光譜范圍寬，可凝視成像，但結構復雜，技術難度大，內部有運動部件。
圖5. 干涉紅外成像光譜儀的光譜分辨率高，光譜范圍寬，內部無運動部件，但需要清洗或清洗，光通量和光譜分辨率低于時間調制型。
圖6. 目前，紅外成像光譜設備的發展趨勢如下：
小型化：目前，高性能紅外成像光譜儀也存在結構復雜、體積重量大的問題，限制了其工業化發展。隨著微光機電和小型集成設計技術的發展，便攜式、高性能的紅外成像光譜儀已成為研究人員和市場的可能性。高分辨率：更豐富的信息是成像和探測技術的目標，包括光譜分辨率和空間分辨率。在實際應用中，通常需要平衡空間分辨率和光譜分辨率。因此，如何為不同的應用程序獲取盡可能多的數據一直是一個技術困難，也是成像光譜技術永不停止的改進方向。
20世紀70年代末，美國加州理工學院噴氣促進實驗室JPL率先提出了紅外成像光譜儀的概念，并在20世紀80年代研制了首臺機載成像光譜儀 ** RIS(光柵分光型)。1987年，法國空間中心在1990年開發了第一臺空間調制干涉紅外成像光譜儀。1988年，加里福尼亞技術研究所噴氣推進研究室(JPL)干涉型紅外成像光譜儀已經開發出來。德國亞琛理工大學誕生了第一臺濾光紅外成像光譜儀樣機。由于紅外探測器和信息處理技術的成熟，紅外成像光譜儀在20世紀90年代發展迅速，空間分辨率、光譜分辨率、光譜穩定性、靈敏度等核心指標不斷提高。紅外成像光譜儀在北美、歐盟和日本已企業根據市場需求主導技術發展。美國、加拿大、德國等國家在精密加工、高精度光機控制和先進成像技術方面處于主導地位。美國是主要制造商Headwall photonics、挪威Norsk Elektro Optik、美國SOC、加拿大ABB Bomem、Photon、德國Bruker等。航天紅外光譜成像儀的開發通常由美國噴氣推廣實驗室、雷神公司和歐洲宇航局等國家科研機構或大型軍事企業主導。美國在航天成像光譜儀方面處于世界領先地位，大多采用雷神公司開發的凸面光柵小型化分光成像ARTEMIS高光譜成像儀。而在歐洲，多使用干涉型分光成像，利用其光譜分辨率高的特點，可提供更好的科學分析功能。我國紅外成像光譜儀的研究主要集中在星載和機載紅外成像光譜儀上，商業產品較少，產品性能和可靠性與國外同類產品存在一定差距。近年來，湖北九陽公司在現有紅外光學技術、紅外成像技術、精密機械的基礎上，承擔了科技部項目和國家發改委項目，對現場級紅外成像光譜儀進行了深入研究，征服了多項核心關鍵技術，開發了多種系統的紅外成像光譜儀，性能指標接近國際先進水平。獲得2019年光環獎（HALO在科技部批準的現場多波段紅外成像光譜儀開發與應用項目的支持下，完成了現場級多波段紅外成像光譜儀設備。本項目由中國船舶重工集團有限公司、九海洋公司、聯合設備研究所、國家海洋局北海洋技術安全中心、華中科技大學、哈爾濱工程大學、航天、湖北環境科學研究所等六個單位共同開發，實現了國內獨立控制和關鍵設備。現場級多波段紅外成像光譜儀的成功開發，打破了國外壟斷和禁運，填補了國內高性能現場分析紅外成像光譜儀領域的技術空白，提高了我國在環境安全應急處置、軍用光譜特性研究和化學防治技術調查等領域的能力，廣泛應用于水環境監測、氣體檢測、物體識別、無損檢測等領域，國內外市場前景廣闊。因此，紅外成像光譜儀的開發、產業化、應用研究和營銷需要繼續推進。
圖7. 在二維場景的基礎上引入目標場景的光譜信息，可以提高成像設備的目標檢測和識別能力。在隱形目標探測方面，利用紅外光譜成像技術獲取目標表面材料的光譜特性，通過與相應數據庫進行比較，可以檢測目標的性質和類型，從而識別隱形偽裝。因此，紅外光譜成像技術被認為是一種重要的偽裝手段。北約集團成立了多光譜/超光譜成像紅外偽裝目標檢測研究小組，長期積累了大量數據。此外，紅外成像光譜儀還可用于戰場毒氣檢測，以確保自身人員的安全。紅外成像光譜儀可實時、無干擾、連續監測遠距離大范圍的氣體污染源和污染流。根據數據庫中的參考光譜和測量光譜之間的相關系數，可以估計氣體的位置、形狀、大小、分散度和遷移方向，定位云源，初步估計氣體濃度。目前，紅外成像光譜儀已用于工業區氣體流動檢測。此外，歐盟和美國還使用紅外成像光譜儀進行化學毒氣監測，以防止恐怖襲擊。一般來說，濾光紅外成像光譜儀用于檢測未知氣體和混合氣體的時間干擾紅外成像光譜儀，用于檢測已知單個氣體。光譜成像遙感是當前國際科研的前沿，也是我國戰略發展的重點之一，已應用到國民經濟和社會發展的眾多領域，包括環境資源調查、重大災害監測、城市規劃管理、海洋勘探、全球情報搜集等。目前，各大航天大國都有大量星載紅外成像光譜儀監測地表，涉及各種類型的產品類型，包括濾光型、色散型和干涉型。尤其是美國NASA歐洲宇航局在全球情報獲取方面具有服務設備數量大、種類多、性能先進、后端處理方法成熟等優勢。封面來源： ** verickinspection.com
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