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(jì),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(yīng)用平臺中的重要設(shè)備，將用于支撐光電性能測試系統(tǒng)中對紅外光譜探測設(shè)備進(jìn)行量值傳遞和標(biāo)定，用于真實(shí)性檢驗(yàn)分析評估系統(tǒng)中獲取高時(shí)間分辨率邊界層大氣廓線、大氣成分信息，研究衛(wèi)星輻射數(shù)據(jù)校正方法。

 

基本信息

型號 ASSIST II

主要研發(fā)人 William L. Smith, Sr

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

國內(nèi)使用單位 遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國科學(xué)院遙感與科學(xué)地球研究所）地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華東師范大學(xué)）

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(shù)（FTIR）,該技術(shù)是20 世紀(jì)80年代興起的新光譜學(xué)方法，屬于遙感型應(yīng)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(jié)構(gòu)的不同，獲得不同物質(zhì)的分子振動(dòng)光譜及轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，對照數(shù)據(jù)庫來定義未知物的成分。目標(biāo)及場景的紅外輻射進(jìn)入到干涉儀系統(tǒng)，將干涉信號準(zhǔn)直輸入到紅外探測器（雙探測器MCT和InSb）組件后將原始數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，經(jīng)傅里葉變換為未標(biāo)定的光譜數(shù)據(jù)；此時(shí)，數(shù)據(jù)只是相對值，經(jīng)高精度黑體模塊（提供準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)）獲得準(zhǔn)確的輻射亮度數(shù)據(jù)或目標(biāo)溫度數(shù)據(jù)。再與數(shù)據(jù)庫對比獲得定性及定量數(shù)據(jù)。 任何物質(zhì)內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)都有對應(yīng)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(jī)物等。通過儀器對各種氣體物質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)，就可以有效地獲得相關(guān)數(shù)據(jù)

功能

地物大氣光譜數(shù)據(jù)；反演對流層大氣數(shù)據(jù)，反演衛(wèi)星地面站定標(biāo)，修正衛(wèi)星低空數(shù)據(jù)

用途

觀察大氣中水蒸氣，二氧化碳，有機(jī)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(jì)是大氣探測裝備測試評估與應(yīng)用平臺中的重要設(shè)備，將用于支撐光電性能測試系統(tǒng)中對紅外光譜探測設(shè)備進(jìn)行量值傳遞和標(biāo)定，用于真實(shí)性檢驗(yàn)分析評估系統(tǒng)中獲取高時(shí)間分辨率邊界層大氣廓線、大氣成分信息，研究衛(wèi)星輻射數(shù)據(jù)校正方法。

（1）利用高光譜/超光譜信息進(jìn)行大氣測量是大氣探測技術(shù)發(fā)展的重要趨勢，傅立葉變換技術(shù)在紅外高光譜分析方面有著明顯的優(yōu)勢，利用此類設(shè)備可以獲得紅外波段高光譜輻射數(shù)據(jù)對紅外光譜探測設(shè)備進(jìn)行量值傳遞和標(biāo)定。

（2）紅外高光譜傅里葉變換技術(shù)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 等的研究提供了有效的手段，該技術(shù)利用太陽光作為紅外吸收/發(fā)射光源，可直接、迅速獲取大量常規(guī)手段難以得到的大氣成分信息。利用此類設(shè)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(jìn)行研究。

（3）衛(wèi)星輻射數(shù)據(jù)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(zhǔn)確性需要進(jìn)行校正。目前國內(nèi)這方面工作處于起步階段，該設(shè)備可以獲取500~5,000 cm-1光譜范圍的高分辨率的數(shù)據(jù)，為研究衛(wèi)星輻射數(shù)據(jù)校正方法提供了研究基礎(chǔ)。

(4)測量物體發(fā)射率，因?yàn)锳SSIST內(nèi)置高溫黑體和低溫黑體，所以可以直接測量物體發(fā)射率，無需外置黑體比對來獲得發(fā)射率。

主要技術(shù)指標(biāo)

1 光譜范圍： 500cm-1 – 5,000cm-1

2 光譜分辨率：可達(dá)0.7cm-1（未切趾）

3 數(shù)據(jù)采集率：32KHz-1000KHz(計(jì)算機(jī)設(shè)定)

4 Edgar采集，處理軟件

ASSIST II將中紅外光譜儀系統(tǒng)集成到一起，可以自主分析溫度/濕度和地面發(fā)射的測算。系統(tǒng)配置緊湊，方便安裝，并提供其他的通信網(wǎng)關(guān)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(shí)性檢驗(yàn)的可信度和準(zhǔn)確度，提高地表能量平衡估算的精度。

結(jié)構(gòu)組成

ASSIST II 傅里葉變換紅外遙感光譜輻射計(jì)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(gè)紅外區(qū)間；
光譜范圍： 500到 5,000cm-1。光譜分辨率： 可達(dá)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(tǒng) f#3.5;密封，準(zhǔn)直系統(tǒng)

數(shù)字化 FTS控制器及采集系統(tǒng)；

軟件包含 GUI及輻射計(jì)量處理工具

BBYCAL-M2 定標(biāo)模塊輻射定標(biāo)模塊包括： 2個(gè)高發(fā)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(jì)量軟件包實(shí)時(shí)記錄，反演地物或大氣輻射輪廓信息?？深A(yù)編程序用于采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)過程

ENCL-2 儀器環(huán)控系統(tǒng)： ?完整的密閉艙室 ?自動(dòng)艙口及控制器 ?遙控系統(tǒng)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(nèi)相關(guān)設(shè)備及主要差距

干涉式野外探測光譜儀是高精密光、機(jī)、電一體設(shè)備，制造加工工藝復(fù)雜，需要豐富的工程制造經(jīng)驗(yàn)和較高的工藝水平。光學(xué)模塊包括前端成像系統(tǒng)、干涉儀、后端聚焦系統(tǒng)及探測系統(tǒng)等，其中干涉儀加工工藝復(fù)雜，是光學(xué)模塊的核心部件，另外探測器也是本系統(tǒng)中很重要的部件，這兩者的優(yōu)劣直接關(guān)系到所采集光學(xué)信號質(zhì)量的好差。在干涉儀的制作過程中，需要具有相當(dāng)經(jīng)驗(yàn)的光學(xué)機(jī)械工程師才能制造出較好的干涉儀。國產(chǎn)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(nèi)沒有成熟的傅里葉變換紅外遙感光譜輻射計(jì)。北京瑞利光學(xué)儀器廠進(jìn)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(shí)驗(yàn)室和教學(xué)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(nèi)生產(chǎn)的探測器靈敏度不夠，不能滿足野外探測所需的性能指標(biāo)要求。

根據(jù)國內(nèi)相關(guān)單位的截止2020年研究進(jìn)展，將相關(guān)指標(biāo)與國外主要廠商的野外廠商的產(chǎn)品比較如下：

國內(nèi)研究水平 國外主要廠商水平

光譜分辨率 要達(dá)到1cm-1，體積會增大 基本都達(dá)到1cm-1

光譜精度?? 一般 較好

光譜穩(wěn)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(nèi)高一個(gè)量級

探測器穩(wěn)定性 一般 較好，測量周期內(nèi)穩(wěn)定性好

掃描速度 較慢 比較快

點(diǎn)擴(kuò)散線型 一般 較好

光通大小 差不多 差不多

整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)一般 結(jié)構(gòu)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(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 比國產(chǎn)輕，操作方便

數(shù)據(jù)采集 由于國內(nèi)高速A/D和FPGA方面同樣收支與國外，數(shù)采這一塊與國外亦有差距 較好

操作軟件開發(fā) 單套開發(fā)，人機(jī)界面無友好性可言 商業(yè)化、軟件成熟、功能全面、界面友好

數(shù)據(jù)后處理 較復(fù)雜，需編程解決 較方便

光學(xué)結(jié)構(gòu)及特性

設(shè)計(jì)要求

使用場合: 野外輻射目標(biāo)

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(biāo)距離: ≥3m

采樣直徑: ≥5 35mm ( 5m 處)

目標(biāo)系統(tǒng): 無視差方式

設(shè)計(jì)思路

( 1) 野外便攜使用, 光學(xué)結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)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(xué)元件。

( 2) 為適應(yīng) 1～14um 的光譜范圍, 同時(shí)爭取盡可能好的像質(zhì), 采用反射式非球面光 學(xué)系統(tǒng);

( 3) 采用移動(dòng)物鏡滿足目標(biāo)對焦;

( 4) 采樣直徑根據(jù)探測器及光路設(shè)計(jì)統(tǒng)一考慮;

( 5) 目標(biāo)系統(tǒng)與探測器主光路使用同一物鏡以消除視差。

光學(xué)結(jié)構(gòu)只是紅外光譜輻射計(jì)中的一個(gè)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(jì)的研制工作中, 有以下問題同樣需要給予足夠的重視:

( 1) 關(guān)于紅外漸變?yōu)V光片( CV F) 的準(zhǔn)確標(biāo)定, 尤其要注意 CVF 中三片濾光片存在一 定波長范圍的斷點(diǎn), 要采用插值及數(shù)值逼近等工程數(shù)學(xué)方法解決。

( 2) 關(guān)于調(diào)制形式的選取及調(diào)制頻率的確定。

( 3) 關(guān)于紅外探測器前置放大器的選擇、工作點(diǎn)及其增益的確定, 關(guān)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(yīng)估計(jì)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(shí)間常數(shù)應(yīng)小于目標(biāo)變化的時(shí)間間隔, 探測器的時(shí)間常數(shù)應(yīng)遠(yuǎn)小于調(diào)制信號的周期。也應(yīng)注意紅外調(diào)探測 器敏感元的適合面積 的確定、測量系統(tǒng)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(zhì)因數(shù) Q 值 的選取, 鎖相放大器閉環(huán)應(yīng)用時(shí)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。