中波紅外與長波推掃成像性能分析

第43卷第12紅外與激光工程2014年12Vol.43InfraredandLaser中波紅外與長波紅外推掃成像性能分析(空間機電，摘要：基于長線陣中波紅外和長波紅外探測器的推掃成像技術(shù)，是實現(xiàn)高空間分辨率和高溫度分辨率對地觀測的技術(shù)途徑之一。隨著長線陣紅外探測器的發(fā)展，該技術(shù)受到高度關(guān)注，并已在一的推掃成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)狀。重點根據(jù)波紅外和波紅外譜段的波長、溫為300K目標(biāo)的輻射強度以及光學(xué)系統(tǒng)和探測器參數(shù)，分析了它們的成像性能，包括調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)、地面像元分辨率(GSD)和噪聲等效溫差(NETD)。對于常溫目標(biāo)，在積分時間足夠長的情況下，保持相同的MTF譜段的成像性能提出了建議。：中波紅外；長波紅外；推掃成像；性能分析；對地觀號：V447.1文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1007-2276(2014)12-3861-PerformanceysisonMWIRandLWIRpushbroomMa(BeijingInstituteofSpaceMechanicsandElectricity,Beijing100094,:PushbroomimagingtechnologybasedonlonglineararrayMWIRandLWIRdetectorsisoneofthemajortechnicalsolutionstoachievehighspatialresolutionandhightemperatureresolutionsaliteearthobservation.Withthedevelopmentoflonglineararrayinfrareddetectors,greatattentionhasbeengiventothistechnologyandithasbeenappliedinsomeareas.ThecharacteristicsofMWIRandLWIRimagingwereintroduced.ThecurrentstatusofsalitepushbroomimagingbasedonlonglineararrayMWIRandLWIRdetectorswaspresented.EmphasiswasputontheysisofMWIRandLWIRimagingperformances,includingmodulationtransferfunction(MTF),groundsampleddistance(GSD),andnoiseequivalenttemperaturedifference(NETD),accordingtotheirwavelength,radiationintensityofobjectwithatemperatureof300K,andparametersofopticsanddetectors.Forobjectswithambienttemperature,ifintegrationtimewaslongenough,theMWIRpushbroomimagingcanachievehigherspatialresolutionandtemperatureresolutionthanLWIRunderthesameMTF.SomesuggestionsforimprovingMWIRandLWIRimagingperformancesweregivenaccordingtotheysisresult.:MWIR;LWIR;pushbroomimaging;performanceysis;saliteearth收稿日期20140611；修訂日期201407作者簡介：(1967)，男，研究員，博士生導(dǎo)師，博士，主要從事航天光學(xué)遙感方面的研究工作。 紅外與激光工 第43引高分辨率紅外成像技術(shù)在偵察、監(jiān)視、環(huán)境監(jiān)測和資源等方面具有廣泛應(yīng)用，但是，受限于紅外探測器技術(shù)的發(fā)展，基于長線陣中波紅外和長波紅外探測器的推掃成像技術(shù)在對地觀測領(lǐng)域中的應(yīng)用還比較少。近些年長線陣中波、長波乃至甚長波紅外探測器技術(shù)取得較大進展[15]，紅外推掃成像技術(shù)逐漸應(yīng)用于對地觀測領(lǐng)域，例如研制的多光譜熱成像儀MTI)和熱紅外傳感器(TIRS)以及德國研制的熱點識別系統(tǒng)(HSRS均采用推掃成像[6-9]。MTI用于對先進的多光譜和熱成像技術(shù)進行驗證，其運行軌道為580~610km高的同步軌道，共有15個譜段，光譜覆蓋范圍為0.45~10.70μm其中包括2個中波紅外譜段(3.49～4.10μm4.85～5.05μm)以及3個長波紅外譜段(8.01～8.39μm、8.42～8.83μm和10.15～10.7m)中波紅外和長波紅外譜段的地面像元分辨率為23m。探測器3個模塊拼接而成，每個模塊包含15個譜段。在單個模塊中，每個中波紅外和長波紅外譜段包含207個探測元，探測元尺寸為50μm×50μm。TIRS為陸地數(shù)據(jù)連續(xù)使命(LDCM)衛(wèi)星的有效載荷之一，其運行軌道為705km高的同步圓軌道。TIRS工作譜段為2個長波紅外譜段(10.6～11.2μm和11.5～12.5)地面像元分辨率為100m，采用由3個640×512量子阱紅外探測器(QWIP)模塊拼接成的探測器進行推掃成像(將面陣探測器作為線陣探測器使用)，探測元尺寸為25μm×25μm。德國研制的BIRD運行軌道為570km高的太陽同步圓軌道，用于對一種新的紅外推掃傳感器(即HSRS)進行技術(shù)驗證。HSRS為雙通道推掃成像儀，工作譜段為3.4~4.2μm和8.5~9.3μm，專門用于對地球表面熱過程進行識別和定量描述。每個通道采用交錯排列的2×512HTe線陣探測器，探測元尺寸為30μm×30μm，地面像元分辨率為185m。就星載中波紅外和長波紅外譜段推掃成像而言，由于2個譜段的波長不同，且目標(biāo)輻射、大氣程輻射、大氣透過率以及光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測器的性能在2個譜段存在差異，導(dǎo)致中波紅外與長波紅

外譜段推掃成像系統(tǒng)的MTF、GSDNETD存在差異。文中對中波紅外與長波紅外譜段推掃成像系統(tǒng)在典型條件下的成像性能進行了研究。中波與長波紅外譜段成像特性概述對于中波紅外和長波紅外譜段成像，在光學(xué)系統(tǒng)口徑和MTF一定的條件下，由于中波紅外譜段的波長較短，它比長波紅外譜段可實現(xiàn)更高的空間分辨率。中波紅外和長波紅外譜段的成像特性，除了與波長有關(guān)，還與目標(biāo)溫度、大氣狀態(tài)以及光學(xué)系統(tǒng)和探測器等有關(guān)。對于火焰等高溫目標(biāo)，中波紅外比長波紅外譜段的信號強，在信號上占優(yōu)勢；對于常溫和低溫目標(biāo)，長波紅外比中波紅外譜段的信號強在信號上占優(yōu)勢。對于干冷大氣環(huán)境，長波紅外比中波紅外譜段透過率高；對于濕熱大氣環(huán)境，中波紅外比長波紅外譜段透過率高；對于充滿霧氣、煙塵的大氣環(huán)境，長波紅外比中波紅外譜段力強。此外，在白天成像時，中波紅外譜段接收的能量部分來自目標(biāo)反射的光，會影響目標(biāo)溫度反演。由于中波紅外和長波紅外譜段成像各有優(yōu)劣，因此，在條件允許的情況下盡可能采用“雙譜段”成像，以獲取目標(biāo)在2個譜段的信息，從而提高對目標(biāo)的探測和識別能力。但如果條件受限，例如成像系統(tǒng)的體積、質(zhì)量、功耗、成本等受限，只能選擇中波紅外或長波紅外譜段時，則需要根據(jù)目標(biāo)與背景特性以及觀測要素等，通過綜合考慮確定觀測譜段。中波與長波紅外推掃成像性能分析對于紅外成像遙感，表征成像系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)為MTF、GSD和NETD。對于星載中波紅外與長波紅外推掃成像系統(tǒng)，其MTF與光學(xué)系統(tǒng)、探測器和信號處理電路的MTF以及在成像積分時間內(nèi)衛(wèi)星運動等有關(guān)，星下點GSD與軌道高度、紅外探測器像元尺寸和光學(xué)系統(tǒng)焦距等因素有關(guān)，NETD與光學(xué)系統(tǒng)的相對口徑和透過率、紅外探測器的靈敏度和積分時間以及目標(biāo)溫度和大氣特性等有關(guān)。影響星載中波紅外與長波紅外推掃成像系統(tǒng)性能的因素很多，為了突出主要影響因素，以便于對比分析，作如下約定：中波紅外與長波紅外譜段光學(xué)系統(tǒng)的口徑第第12：中波紅外與長波紅外推掃成像性能分析和透過率相同，無中心遮攔，性能達到衍射極限中波紅外和長波紅外探測器的像元尺寸、滿阱電子數(shù)和MTF相同，信號處理電路MTF相同；中波紅外與長波紅外推掃成像均為寬譜段成像，噪聲主要為光聲，暗電流的影響可忽略；大氣對星載中波紅外與長波紅外推掃成像系統(tǒng)MTF的影響相同；成像性能對比分析僅考慮對常溫目標(biāo)成像的情況。

的探測器成像時Nyquist頻率處MTFdiff與波長的關(guān)系。對于3~5μm的中波紅外譜段和8~10μm的長波紅外譜段中心波長分別4μm9μm根1在波長4μm和9μm處MTFdiff分別為0.700.35，即在光學(xué)系統(tǒng)f數(shù)和探測器像元尺寸相同的情況下，光學(xué)系統(tǒng)在中波紅外譜段的MTF比長波紅外譜段高。星下點GSD的表達式如下根據(jù)上述約定，造成星載中波紅外與長波紅外推掃成像系統(tǒng)MTF差異的主要因素是光學(xué)系統(tǒng)以

GSD=式中：p為探測器像元尺寸；H為軌道高度

及在成像積分時間內(nèi)的運動對于無中心遮攔的圓孔徑光學(xué)系統(tǒng)，其衍射限調(diào)制傳遞函數(shù)(MTFdiff)為圓對稱函數(shù)在水平方向(x方向)和垂直方向(y方向)上的調(diào)制傳遞函數(shù)相同。沿x方向上的調(diào)制傳遞函數(shù)如公式(1)和公式(2)所示：

對于星載中波紅外與長波紅外推掃成像系統(tǒng)，假設(shè)光學(xué)系統(tǒng)的口徑和MTF相同則光學(xué)截止頻率相等。根據(jù)公式(3)可得到：λMW·fl′MW 式中：λMW為中波紅外譜段中心波長；l′為中波2姨 2姨外譜段光學(xué)系統(tǒng)焦距 為長波紅外譜段中心 foc姨 長；lW為長波紅外 學(xué)系統(tǒng)焦距。由公式(5)當(dāng) MTFdiff(fx)=0當(dāng)fx>foc 式中：fx為x方向像空間光學(xué)頻率；foc為像空間光學(xué)截止頻率，foc的表達式如下：fc=D/(fl′)=1/(F 式中：D為光學(xué)系統(tǒng)入瞳直徑(以下簡稱口徑)l為光學(xué)系統(tǒng)焦距；F為f數(shù)，=l′/D。對于星載中波紅外與長波紅外推掃成像系統(tǒng)，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的口徑和焦距以及探測器像元尺寸相同時由于波長不同光學(xué)系統(tǒng)在中波紅外和長波紅外譜段的MTF不同。圖1給出f數(shù)為3的無遮攔光學(xué)系統(tǒng)配上像元尺寸為25μm(Nyquist頻率為20lp/mm)

知當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的口徑和MTF相同時焦距與波長成反比。對于3~5μm的中波紅外譜段和8~10μm的長波紅外譜段，中心波長分別為4μm和9μm。根據(jù)公(5)當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的口徑和MTF相同時中波紅外譜段焦距為長波紅外譜段的9/4倍據(jù)此可以得出結(jié)論，在星載中波紅外與長波紅外推掃成像系統(tǒng)的口徑和探測器像元尺寸相同，且光學(xué)系統(tǒng)MTF相等的條件下，由于3~5μm中波紅外譜段的焦距為8~10μm長波紅外譜段的9/4倍其可實現(xiàn)的空間分辨率為8~10μm長波紅外譜段的9/4倍。在測試星載中波紅外與長波紅外推掃成像系統(tǒng)的NETD時，探測器接收到的輻射主要包括黑體輻射以及光學(xué)系統(tǒng)自身的輻射，這兩部分輻射在焦面上形成的光子輻照度為：E=E+E=π[(L(△λ))·τ(△λ)+L 圖1f數(shù)為3的光學(xué)系統(tǒng)MTFdiff隨波長的變化Fig.1MTFdiffofopticalsystemwithfnumberof3vs

式中：E為焦面上的譜子輻照度；Et為黑體輻射在焦面上的譜段光子輻照度；Eo為光學(xué)系統(tǒng)自身輻射在焦面上的譜子輻照度；F為光學(xué)系統(tǒng)的 紅外與激光工 第43數(shù)；Lt(△λ)為黑體的譜子輻亮度；τo(△λ)為光學(xué)系統(tǒng)平均透過率；Lo(△λ)為光學(xué)系統(tǒng)的譜子輻亮度，近似為溫度等于光學(xué)系統(tǒng)溫度的黑體的輻亮度乘以(1-τo(△λ))。探測器單個探測元產(chǎn)生的光電子數(shù)可表示為Q=Qt+Qo=(Et+Eo)·Ad·t·η 式中：Q為探測器單個探測元產(chǎn)生的光電子數(shù)；Qt為黑體輻射產(chǎn)生的光電子數(shù)；Qo為光學(xué)系統(tǒng)自身輻射產(chǎn)生的光電子數(shù)；Ad為探測器光敏元面積；t為探測器積分時間；η為量子效率。對于采用制冷型紅外探測器的寬譜段紅外成系統(tǒng)一般可達到或接近光子噪聲限探測[10]，則噪聲為光電子數(shù)的均，這里的光電子數(shù)包括黑體輻射和光學(xué)系統(tǒng)自身輻射產(chǎn)生的光電子數(shù)。信噪比(SNR)可表示為：

器，則所需積分時間可以縮短圖2中波紅外譜段NETD隨積分時間的變Fig.2RelationshipbetweenMWIRbandNETDandintegrationSNR=姨紅外成像系統(tǒng)的NETD可表示為 M

圖3長波紅外譜段NETD隨積分時間的變化Fig.3RelationshipbetweenLWIRbandNETDandintegration式中：△T為黑體溫度差；SNR為信噪比；△M/M為某溫度下黑體溫度變化△T引起的輻射輻出度變化。對于300K黑體在譜段3～5μm和8~10μm黑體溫度升高1K引起的輻射輻出度變化分別為3.69%1.8%對于3～5μm的中波紅外和8~10μm的長波紅外推掃成像系統(tǒng)，假設(shè)它們的光學(xué)系統(tǒng)口徑和MTF相同，f數(shù)分別為4.52光學(xué)系統(tǒng)溫度為293K，光學(xué)系統(tǒng)譜段平均透過率為0.75探測器探測元尺寸為25μm×25μm量子效率為0.7滿阱電子數(shù)為20M電子)黑體溫度為300K根據(jù)普朗克定律可計算出黑體和光學(xué)系統(tǒng)的譜段光子輻亮度，將各量帶入公式(6~(9)可計算出3～5μm的中波紅外和8～10μm的長波紅外推掃成像系統(tǒng)的NETD隨積分時間的變化，分別如圖2和圖3所示兩個譜段在達到滿阱電子數(shù)一半即10M電子時的NETD分別為10.8mK和22.8mK，所需的積分時間分別為16.9ms和139μs這是針對單線陣非TDI)紅外探測器計算得到的積分時間。若采用TDI紅外探測

從上述計算可以看出，對溫度為300K附近的常溫目標(biāo)成像時，3~5μm的中波紅外譜段比8~10μm的長波紅外譜段可實現(xiàn)更高的溫度分辨率，前提是積分時間要足夠長。若將3~5μm的中波紅外和8~10μm的長波紅外推掃成像系統(tǒng)裝在軌道高度為800km的上，根據(jù)星下點速率(約為6.7km/s)可計算出，在16.9ms和139μs的積分時間飛過的距離分別為113m和0.93m。由該計算結(jié)果可以看出，為保證中波紅外譜段推掃成像實現(xiàn)較高溫度分辨率所需的積分時間，當(dāng)采用單線陣紅外探測器時，地面像元分辨率的提高受到限制；為了在中波紅外譜段實現(xiàn)較高的地面像元分辨率，有必要采用TDI紅外探測器假設(shè)中波紅外譜段采用10TDI紅外探測器則所需積分時間約可減少到單線陣探測器的1/10。也可以考慮通過衛(wèi)星俯仰運動來延長積分時間，但會影響衛(wèi)星進行連續(xù)條帶成像。對于長波紅外譜段推掃成像，所需積分時間較短，一般情況下積分時間遠(yuǎn)小于飛過1個像元第第12：中波紅外與長波紅外推掃成像性能分析的時間(駐留時間；為了充分利用富余的時間，可在駐留時間內(nèi)對目標(biāo)進行多次采樣成像，一方面可提高飛行方向上的空間分辨率，另一方面可采用類似I的技術(shù)11，通過多次采樣的數(shù)字累加提高溫度分辨率。結(jié)在成像系統(tǒng)口徑和MTF一定的條件下由于中波紅外譜段比長波紅外譜段的波長短，可實現(xiàn)更高的空間分辨率在積分時間足夠長、能夠滿足溫度分辨率要求的情況下，應(yīng)充分發(fā)揮中波紅外譜段可實現(xiàn)較高空間分辨率的優(yōu)勢；若中波紅外譜段在滿足空間分辨率的條件下滿足溫度分辨率存在，可考慮用TDI紅外探測器來提高溫度分辨率，也可以考慮通過俯仰運動延長積分時間來提高溫度分辨率。對于長波紅外譜段推掃成像，所需積分時間較短，一般情況下積分時間遠(yuǎn)小于駐留時間。在探測器駐留時間足夠長、積分時間有余量的情況下，可考慮在駐留時間內(nèi)對目標(biāo)進行多次采樣成像，一方面可提高飛行方向上的空間分辨率，另一方面可通過多次采樣的數(shù)字累加提高溫度分辨率。參考文獻GongHaimei,ShaoXiumei,LiXiangyang,etal.Advancedtechnologyandapplicationofspaceborneinfrareddetectors[J].InfraredandLaserEngineering,2012,41(12):31293140.(in，邵秀梅,李向陽,等.航天先進紅外探測器組件技術(shù)及應(yīng)用[J].紅外與激光工程,2012,41(12):31293140.GengHongyan,ZhouZhou,SongGuofeng,etal.FlipchipbondingtechnologyforIRdetectors[J].InfraredandLaserEngineering,2014,43(3):722726.(inChinese)

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