用于遙感測溫的雙通道紅外輻射計(jì)

用于遙感測溫的雙通道紅外輻射計(jì)
摘要 本文介紹了一種用于遙感溫度測量的、且與目前大多數(shù)星載紅外遙感器波段相一致的雙通道 紅外輻射計(jì)。該輻射計(jì)采用碲鎘汞做為探測器。它可用于溫度測量，其同步測量數(shù)據(jù)可用于星載 紅外遙感器的定標(biāo)和數(shù)據(jù)的真實(shí)性檢驗(yàn)。本文舟紹了總體方案、精度計(jì)算及光、機(jī)、電和數(shù)據(jù)處理 等部分的設(shè)計(jì)方法。

1 前言 隨著海洋經(jīng)濟(jì)在我國國民經(jīng)濟(jì)中地位的日益提高及沿海經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，要求加強(qiáng)對海洋的 管理力度。這就使得利用遙感手段對海洋環(huán)境進(jìn)行監(jiān)饅I的必要性更為突出。在7O年代初，遙 感技術(shù)就成功地應(yīng)用于海洋污染(特別是油污染、熱污染以及影響海洋水色、濁度的污染物質(zhì)) 監(jiān)測，獲得了大量有價(jià)值的信息，成為海洋環(huán)境監(jiān)測的有力手段。
航空遙感以其特有的優(yōu)勢，在海洋環(huán)境遙感監(jiān)測方面起到了巨大的作用，為廣大遙感工作 者及管理決策部門提供了大量的科學(xué)研究數(shù)據(jù)及決策依據(jù)。在近海海洋環(huán)境監(jiān)測、污染監(jiān)測 及海洋減災(zāi)等方面，發(fā)揮了不可替代的作用 它以其特有的機(jī)動(dòng)、靈活和高的光譜及空間分辨 率，成為海洋遙感的一項(xiàng)重要手段。 此外，隨著衛(wèi)星對地觀測定量遙感技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感應(yīng)用已逐漸由定性發(fā)展到定量。 在對星載遙感器的輻射定標(biāo)及星載遙感數(shù)據(jù)的真實(shí)性檢驗(yàn)工作中，現(xiàn)場及航空同步觀測數(shù)據(jù) 是非常重要的。 可見，航空遙感無論是在海洋環(huán)境監(jiān)測，還是在提高遙感定量化精度方面都起著不可替代 的重要作用。而其中用于探測海面溫度的紅外技術(shù)是不可缺少的有效手段。研究海洋環(huán)境需 要了解海面溫度場，例如j海洋漁業(yè)資源與海洋溫度特性及其變化梯度密切相關(guān)：海面溫度異 常可為海洋污染探測提供依據(jù)；黑潮研究也需要溫度資料 因此，高精度的機(jī)載紅外輻射計(jì)可 有效地應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測。通過選擇國際上星載紅外傳感器普遍選用的兩個(gè)通道作為該紅
外輻射計(jì)的工作波段，將增強(qiáng)航空數(shù)據(jù)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)的可比性，既可提高測量精度，又可 用航 空數(shù)據(jù)為衛(wèi)星數(shù)據(jù)定標(biāo)，衛(wèi)星數(shù)據(jù)彌補(bǔ)航空遙感覆蓋率低的不足。所以，開展此項(xiàng)雙通道紅外 輻射計(jì)的研制工作是非常必要的。其目的在于通過開展雙通道紅外輻射計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究和相 應(yīng)的試驗(yàn)工作，為今后該儀器的研制打下良好的基礎(chǔ)。 目前波長為11,urn附近的紅外窗區(qū)通道已被各種對地觀測衛(wèi)星紅外遙感器廣泛采用，成 為獲得地氣系統(tǒng)熱紅外圖象的基本遙感通道。原因是此窗口大氣相當(dāng)透明，可獲得較豐富的 下墊面信息；白天和夜間均可用于地面熱狀態(tài)遙感；l1,urn 渡段位于地球常溫狀態(tài)對應(yīng)的 15’1ank函數(shù)峰值附近，地氣系統(tǒng)輻射較強(qiáng)，有助于提高遙感儀器的信噪比。為提高11,urn波段 的應(yīng)用效果，一般將紅外長窗區(qū)通道l0．5～12．5／m1分裂為兩個(gè)通道，因兩個(gè)通道輻射量的差 包含有大氣狀態(tài)信息，在目前普遍采用的海面溫度遙感資料處理的大氣衰減訂正的回歸方法 中，利用兩個(gè)分裂窗區(qū)通道比單個(gè)通道處理精度明顯改進(jìn)。在NOAA業(yè)務(wù)衛(wèi)星Av}mR上選 用1O．3～11．4／m1及l(fā)1．5～12．5,um兩個(gè)波段作海面溫度及云探測，GMS一5上也選用了這兩 個(gè)分裂通道，在oc1 上也是這兩個(gè)波段，在我國計(jì)劃發(fā)射的海洋水色衛(wèi)星的十波段掃描儀中 也選用這兩個(gè)熱紅外波段(見表1)。 表1 各種衛(wèi)星上熱紅外傳感器所用的波段 衛(wèi) 星 傳感器 嫂段范圍 Lands,’,’at一3 MSS多光譜掃描儀 10 5～l2 5兒陸地衛(wèi)星rn 一3 Landsar_4．5 陸地衛(wèi)星TM專題制圖儀 10 4～l2．5tun 一4．5 N0AA一1O．11 1O 3～ l1．3um 氣象衛(wèi)星 高級(jí)甚高分辨率輻射計(jì) 11 5～12．5tur~ G(]ES VISSR 10．2～ l1．2tur~ 環(huán)境衛(wèi)星 可見光一紅外自旋輻射計(jì) 11．5～12 5／ar~ GMS 同步氣象衛(wèi)星 VISSR 10 5～l2 5兒rn FY—l l0 5～ 12．5兒rn 風(fēng)云一號(hào) HY 一1 lO 3～ 11．4um 海洋水色衛(wèi)星 11 4～ l2．5tun ～【()s一1 VTlR 10．5～ ll 5／ar~ 海洋觀測衛(wèi)星 可見光一熱紅外輻射計(jì) 11．5～l2 5tur~

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 紅外技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用已有幾十年的歷史。我國的紅外技術(shù)研究起步于砷年代，7O年 代得到了長足發(fā)展。紅外技術(shù)被應(yīng)用于國防、冶金、農(nóng)業(yè)、氣象、海洋等諸多領(lǐng)域。在紅外儀器 的研制與應(yīng)用上，高溫測量儀器多于低溫測量儀器。低溫紅外儀器的敏感元件受到環(huán)境溫度 的限制，且目標(biāo)的輻射能量較小。中國科學(xué)院上海技術(shù)物理所、北京1411所、天津8357所、北 京農(nóng)業(yè)大學(xué)和海洋技術(shù)研究所曾研制測溫范圍低于100℃ 的紅外測溫儀器。中國科學(xué)院上海 技術(shù)物理所研制的三通道紅外輻射計(jì)工作波長分別為：10、3～11．3tan，10．5～12 5tma，11．5 ～ 12 5“m，但只能單通道使用，不能兩通道以上同時(shí)使用，采用的是熱敏電阻探測器；由北京 農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的紅外測溫儀，工作波長為單通道6～16tan，采用的是熱電堆探測器；海洋技術(shù) 研究所自1966年開始研制用于海溫測量的紅外測溫儀器，先后研制生產(chǎn)了HwL1—1型航空 紅外測溫儀和LGHl—l型機(jī)載紅外輻射計(jì)，前者的工作波段為8～12tma，后者的工作波段為 9-11Ⅱm，采用的是熱敏電阻探測器，可直接給出海水的物理溫度(絕對溫度)，測溫范圍為一2 ～ +35℃ 和5～+35℃ ，測量精度為0、5"C，為用于海球溫度測量，測量下限可延至一15℃ 。 LGH1—1型機(jī)載紅外輻射計(jì)目前一直用于我國海冰的常規(guī)航空監(jiān)測。以上紅外儀器雖然各 有特點(diǎn)，在其應(yīng)用領(lǐng)域中各具優(yōu)勢，但在探測器的選擇上采用的是熱敏電阻和熱電堆。由于這 兩種探測器的探測率不是很高+所以限制了儀器的測量指標(biāo)，此外這些紅外儀器均不具備兩通 道同時(shí)工作的能力 目前了解到國外同類型的紅外儀器有美國的PRT一5、Evere5~400紅外輻射計(jì)，工作波長 為：單通道8～14tma，精度為0．5"C，日本的ER2007型紅外測溫儀，工作波長為：單通道8～ 12tma，精度為O、5"C，日奉還生產(chǎn)了雙通道紅外輻射計(jì)，工作波長分別為：l_5～2．5 m和3、O - 4．2tma，通過測量海面的熱通量，研究海面的海氣交換和海水的熱傳遞。這些紅外儀器均采 用的是熱探測器和光子探測器，由于探測器的探測率不高，因此在精度上受到了一定的限制， 此外日本的雙通道紅外輻射計(jì)的工作波長與衛(wèi)星紅外波段采用的工作波長不一致，不利于數(shù) 據(jù)的同化。隨著遙感技術(shù)的不斷深入，未來紅外遙感儀器的發(fā)展趨勢為多通道、高精度、高分 辨率。

3 測量原理與儀器構(gòu)成
3．1 探測器 紅外探測器種類很多，如：熱敏電阻、熱釋電器件、熱電偶與熱電堆、碲鎘汞等，按其工作機(jī) 理可分為兩大類：光子探測器和熱探測器(部分紅外探測器性能見表2)。這些紅外探測器各 具特點(diǎn)，熱敏電阻、熱釋電器件、熱電偶與熱電堆使用方便，易于測量的實(shí)現(xiàn)，但其缺點(diǎn)為精度 不高，且測量結(jié)果受到工作環(huán)境溫度的影響；碲鎘汞(HgCATe)是近些年來發(fā)展較快的一種紅 外探測器件，且目前國內(nèi)外星載和機(jī)載的紅外探測器均采用的是碲鎘汞，碲鎘汞探測精度較 高，工作在恒溫狀態(tài)下(77K)，不受工作環(huán)境溫度影響，利于保證測量精度，從表2中也可以看 出碲鎘汞有較高的比探測率和較快的時(shí)間響應(yīng)，缺點(diǎn)是需要增加保證其恒溫工作環(huán)境的裝置。 基于以上紅外探測器特點(diǎn)分析及本項(xiàng)目的技術(shù)指標(biāo)要求，我們最終選擇了碲鎘汞做為雙通道 紅外輻射計(jì)的探測器。 衰2 部分紅外探測器性能 響應(yīng)波段 峰值比探測率 響應(yīng)撩測器 模式 時(shí)間 (岫1) (ml·}k】 ·W ) (s L rGS 熱釋電 l～38(kBr窗口) 3～10×l0B <10 1AT日()t 熱釋電 2～25(Ge窗口) 4～5×l0B <10 3 錳— 鎳一鈷 熱敏 氧化物 (浸沒) 2-25(Ge窗口) 2～5×108 2-3×10 H~TC,dTe 光導(dǎo) 8～14 0．5～ 1×108 < 10 H~TC,dTe 光伏 7～14 0．1—1×l0w <5×10 H~TC,dTe 光伏 1～24 3×10]o PbSn re 光伏 8～14 0．1～l×10 0 < l0 Gc：Hg 光導(dǎo) 6～14 2-4×10to 由于要達(dá)到0．5k的測量精度，故選擇了碲鎘汞(HgCxlTe)探測器，具體參數(shù)為 * 響應(yīng)波段分別：(10．5～11．5) n，(I1．5～12．5)胛n *波段探測率：D ≥1．5×10lO(crn·Hz ·W ) *波段響應(yīng)率： ≥5．0×10 (V·WI1) * 靈敏面積：Ad=0．25rnm×0．27mm 精度計(jì)算如下： 噪聲等效功率：NEP=~／ ·Af／D △，-_測量電路的帶寬(}fz) 取,af =100 Hz NEP=I．732051×10一 (w) 根據(jù)斯忒藩一玻耳茲曼定律，黑體的總輻射出射度為：M ： ·T 對于灰體有：M =￡·d· 通過大氣和光學(xué)系統(tǒng)后：帆=r’7’e’B’ ‘T ‘詈‘A0 考慮到調(diào)制的影響： =K1·r·7·e·B· ·T · ·A0 將上式對T求導(dǎo)：△M：=4Kl·f· ·E·B·d·T ·詈·A0·△T 當(dāng) 腿P時(shí)，噪聲等效溫差： NE~T=NEP‘ ／(4Kl。f‘ ’E‘B‘d‘T ‘∞‘A0) 其中：K．— — 調(diào)制因子(0．286) E— — 發(fā)射率(0．98) d— — 斯忒藩— 玻耳茲曼常數(shù)(5．67×10 W CTO．2 k ) B— — 所用波段能量占全渡段能量的百分比(0．06) 1r— — 大氣透過率(0 7) 礦一光學(xué)系統(tǒng)效率(0．6) m — — 視場角 T— — 絕對溫度 A — — 光聞面積 必T =4．324988× 10 ／co·T 當(dāng)目標(biāo)溫度為一20℃ 時(shí)：NEAT=2．670689×10 ／co 視場角為2。時(shí)， =9．571882×10 M T=0．02790(C ) 視場角為15。時(shí)+(tJ=5．445128×10I2 NE△T=0．00049(℃ ) 當(dāng)目標(biāo)溫度為35℃ 時(shí)，NE△T=1．480242×10 ／co 視場角為2。時(shí)， ：9．571882X 10I4 M T=0．01546(℃ ) 視場角為15。時(shí)，(tJ=5 445128×10-2 NEL4T=0．o00272(℃ ) 由以上推導(dǎo)可得出在測溫范圍為一20-35℃ 、視場角為2。、15。的情況下，HgCdTe探測器 的測溫精度均能滿足要求。
3 2 總體構(gòu)成 紅外系統(tǒng)通常由光學(xué)部分、光學(xué)調(diào)制器(或掃描器)、紅外探測器和信號(hào)采集處理部分組 成，此外由于某些探測器必須在低溫下工作，故有些紅外系統(tǒng)還包括致冷裝置。系統(tǒng)構(gòu)成見圖 1 o 為了實(shí)現(xiàn)人射能量的高利用率，采用了雙元探測器及雙光路的設(shè)計(jì)，這樣使入射能量的利 用率提高了一倍+提高了灝I量精度。轉(zhuǎn)速計(jì)| 水份計(jì)| 水份儀| 分析儀| 溶氧計(jì)| 電導(dǎo)度計(jì)| PH計(jì)| 酸堿計(jì)| 糖度計(jì)| 鹽度計(jì)| 酸堿度計(jì)| 電導(dǎo)計(jì)| 水分測定儀| 濁度計(jì)| 色度計(jì)| 粘度計(jì)| 折射計(jì)| 滴定儀| 密度計(jì)| 熱流計(jì)| 濃度計(jì)| 折射儀| 采樣儀|  圖1 系統(tǒng)構(gòu)成
3，3 光學(xué)系統(tǒng) 雙通道紅外輻射計(jì)的光學(xué)部分包括：濾光片和透鏡。 (1)濾光片 濾光片的作用是限定探測器所能接收到的能量的光譜圍。根據(jù)兩個(gè)通道帶寬范圍的要求 (10．5～l1．5tma，l1．5～12．5tma)，設(shè)計(jì)了干涉濾光片。具體指標(biāo)見濾光片透過率曲線。本方 案采取了濾光片與探灝I器一體化的設(shè)計(jì)，即濾光片以與探測器相應(yīng)的尺寸附在探測器表面，這 樣做的優(yōu)點(diǎn)是：既縮小了體積又便于光路調(diào)整 (2)透鏡 透鏡將接收到的目標(biāo)或景物的紅外輻射傳遞給探測器，主要是起會(huì)聚作用。完成該功能 一般可采用兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即反射式結(jié)構(gòu)和透射式結(jié)構(gòu)，由于對于短焦距系統(tǒng)透射式結(jié)構(gòu)有使 系統(tǒng)更加緊湊的特點(diǎn)，故采用透射式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用透鏡起會(huì)聚作用。 因?yàn)樘綔y器的面積為0．25ram×0．27ram，為了使探測器的面積得到充分利用，要求經(jīng)過 透鏡后的光斑略大于探測器表面的外切圓，外切圓的直徑為0．37ram。按照以上要求針對物 方視場角為2。的透鏡進(jìn)行了設(shè)計(jì)和加工。材料選用鍺(折射率n=4)，對影響會(huì)聚效果的象差 (主要是球差)進(jìn)行了校正，設(shè)計(jì)的透鏡參數(shù)如下： 材料：鍺(Ge)n-4 焦距：，=14．572mm 口徑：D=10mm 中心厚度：d=4rim1 象高：Y =0．254mln 表面鍍ZnS增透膜，雙面透過率大于96％(在1O 5～12 5tan范圍內(nèi))。
3．4 調(diào)制 調(diào)制實(shí)質(zhì)上是對所需信號(hào)或被傳輸?shù)男畔⒆瞿撤N形式上的變換，使之便于處理或傳輸。 本方案采用了調(diào)制盤做為調(diào)制器，當(dāng)調(diào)制盤以一定的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于切割作用，使得通過調(diào) 制盤的輻射能量變成了斷續(xù)形式，探測器接收來自經(jīng)調(diào)制后的目標(biāo)信號(hào)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換以交流電信 號(hào)形式輸出給前置放大器。根據(jù)探測器的最佳響應(yīng)頻率，選擇調(diào)制頻率為1000Hz。由6000r／ min(24V直流)的電機(jī)帶動(dòng)有十個(gè)扇型齒的調(diào)制盤來實(shí)現(xiàn)。
3 5致冷 為了降低光子探測器的噪聲電平，以獲得較高的信噪比，往往需要將探測器致冷，使其處 于低溫狀態(tài)下工作。致冷器按工作方式可分為三種：開式循環(huán)致冷器、閉式循環(huán)致冷器、和固 態(tài)致冷器。根據(jù)儀器的具體情況和碲鎘汞探測器對環(huán)境工作溫度的要求，我們采用了液體致 冷器(杜瓦瓶)，它屬于開式循環(huán)致冷器。致冷劑選用液氮，汽化溫度為77 3K。為了減小體 積，使儀器小型化，杜瓦瓶設(shè)計(jì)成雙元單瓶液氮制冷結(jié)構(gòu)，即兩個(gè)碲鎘汞探測器共用一個(gè)杜瓦 瓶。杜瓦瓶為金屬底窗封裝，外形尺寸為q590rrml×120mm，貯液時(shí)問為6h。
3．6 信號(hào)處理和數(shù)據(jù)采集 紅外信號(hào)通常是很微弱的，必須要經(jīng)過放大、濾波，然后才能判定是否為目標(biāo)信息。前置 放大器的作用就是將探測器輸出的弱信號(hào)進(jìn)行必要的放大和濾波。根據(jù)探測器和對信號(hào)處理 的要求．將前制放大器的帶寬設(shè)計(jì)為20}Iz～13kHz，放大倍數(shù)為10 。經(jīng)過前置放大后的電壓 信號(hào)為毫伏級(jí)，為了滿足數(shù)據(jù)采集的需要，還必須對前置放大的輸出信號(hào)進(jìn)行二次放大。A／D 轉(zhuǎn)換與調(diào)制同步，利用定標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，輸出測量結(jié)果。
3．7 輻射量定標(biāo) 對于定量測量來講，輻射量定標(biāo)是一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容，它直接影響到測量的準(zhǔn)確度。雙 通道紅外輻射計(jì)必須在儀器研制完成后和每次試驗(yàn)前后，分別針對其兩個(gè)通道進(jìn)行輻射量定 標(biāo)。具體方法是：在不同的環(huán)境溫度下，用被定標(biāo)儀器對測量范圍內(nèi)的不同已知目標(biāo)進(jìn)行一系 列測量，根據(jù)儀器的輸出建立或修改該儀器的定標(biāo)公式，從而保證儀器的測量精度。

4 總結(jié) 對于海洋監(jiān)測，該儀器既可用于航空海面溫度的測量，也可用于短期的船用海面溫度測 量。試驗(yàn)證明，該儀器一次充氮可連續(xù)工作6h以上，并具有使用過程中操作簡單、數(shù)據(jù)處理方 便等優(yōu)點(diǎn)。在表面溫度監(jiān)測及遙感應(yīng)用方面，有較好的應(yīng)用前景。