中波紅外與長(zhǎng)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(zhǎng)波紅外推掃成像性能分析(空間機(jī)電，摘要：基于長(zhǎng)線陣中波紅外和長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的推掃成像技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)高空間分辨率和高溫度分辨率對(duì)地觀測(cè)的技術(shù)途徑之一。隨著長(zhǎng)線陣紅外探測(cè)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(diǎn)根據(jù)波紅外和波紅外譜段的波長(zhǎng)、溫為300K目標(biāo)的輻射強(qiáng)度以及光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)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(duì)于常溫目標(biāo)，在積分時(shí)間足夠長(zhǎng)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(zhǎng)波紅外；推掃成像；性能分析；對(duì)地觀號(hào)：V447.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：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(jiǎn)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(cè)和資源等方面具有廣泛應(yīng)用，但是，受限于紅外探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展，基于長(zhǎng)線陣中波紅外和長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的推掃成像技術(shù)在對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用還比較少。近些年長(zhǎng)線陣中波、長(zhǎng)波乃至甚長(zhǎng)波紅外探測(cè)器技術(shù)取得較大進(jìn)展[15]，紅外推掃成像技術(shù)逐漸應(yīng)用于對(duì)地觀測(cè)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(guó)研制的熱點(diǎn)識(shí)別系統(tǒng)(HSRS均采用推掃成像[6-9]。MTI用于對(duì)先進(jìn)的多光譜和熱成像技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，其運(yùn)行軌道為580~610km高的同步軌道，共有15個(gè)譜段，光譜覆蓋范圍為0.45~10.70μm其中包括2個(gè)中波紅外譜段(3.49～4.10μm4.85～5.05μm)以及3個(gè)長(zhǎng)波紅外譜段(8.01～8.39μm、8.42～8.83μm和10.15～10.7m)中波紅外和長(zhǎng)波紅外譜段的地面像元分辨率為23m。探測(cè)器3個(gè)模塊拼接而成，每個(gè)模塊包含15個(gè)譜段。在單個(gè)模塊中，每個(gè)中波紅外和長(zhǎng)波紅外譜段包含207個(gè)探測(cè)元，探測(cè)元尺寸為50μm×50μm。TIRS為陸地?cái)?shù)據(jù)連續(xù)使命(LDCM)衛(wèi)星的有效載荷之一，其運(yùn)行軌道為705km高的同步圓軌道。TIRS工作譜段為2個(gè)長(zhǎng)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(gè)640×512量子阱紅外探測(cè)器(QWIP)模塊拼接成的探測(cè)器進(jìn)行推掃成像(將面陣探測(cè)器作為線陣探測(cè)器使用)，探測(cè)元尺寸為25μm×25μm。德國(guó)研制的BIRD運(yùn)行軌道為570km高的太陽同步圓軌道，用于對(duì)一種新的紅外推掃傳感器(即HSRS)進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)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(duì)地球表面熱過程進(jìn)行識(shí)別和定量描述。每個(gè)通道采用交錯(cuò)排列的2×512HTe線陣探測(cè)器，探測(cè)元尺寸為30μm×30μm，地面像元分辨率為185m。就星載中波紅外和長(zhǎng)波紅外譜段推掃成像而言，由于2個(gè)譜段的波長(zhǎng)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(cè)器的性能在2個(gè)譜段存在差異，導(dǎo)致中波紅外與長(zhǎng)波紅

外譜段推掃成像系統(tǒng)的MTF、GSDNETD存在差異。文中對(duì)中波紅外與長(zhǎng)波紅外譜段推掃成像系統(tǒng)在典型條件下的成像性能進(jìn)行了研究。中波與長(zhǎng)波紅外譜段成像特性概述對(duì)于中波紅外和長(zhǎng)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(zhǎng)較短，它比長(zhǎng)波紅外譜段可實(shí)現(xiàn)更高的空間分辨率。中波紅外和長(zhǎng)波紅外譜段的成像特性，除了與波長(zhǎng)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(cè)器等有關(guān)。對(duì)于火焰等高溫目標(biāo)，中波紅外比長(zhǎng)波紅外譜段的信號(hào)強(qiáng)，在信號(hào)上占優(yōu)勢(shì)；對(duì)于常溫和低溫目標(biāo)，長(zhǎng)波紅外比中波紅外譜段的信號(hào)強(qiáng)在信號(hào)上占優(yōu)勢(shì)。對(duì)于干冷大氣環(huán)境，長(zhǎng)波紅外比中波紅外譜段透過率高；對(duì)于濕熱大氣環(huán)境，中波紅外比長(zhǎng)波紅外譜段透過率高；對(duì)于充滿霧氣、煙塵的大氣環(huán)境，長(zhǎng)波紅外比中波紅外譜段力強(qiáng)。此外，在白天成像時(shí)，中波紅外譜段接收的能量部分來自目標(biāo)反射的光，會(huì)影響目標(biāo)溫度反演。由于中波紅外和長(zhǎng)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(gè)譜段的信息，從而提高對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)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(zhǎng)波紅外譜段時(shí)，則需要根據(jù)目標(biāo)與背景特性以及觀測(cè)要素等，通過綜合考慮確定觀測(cè)譜段。中波與長(zhǎng)波紅外推掃成像性能分析對(duì)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(duì)于星載中波紅外與長(zhǎng)波紅外推掃成像系統(tǒng)，其MTF與光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器和信號(hào)處理電路的MTF以及在成像積分時(shí)間內(nèi)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)等有關(guān)，星下點(diǎn)GSD與軌道高度、紅外探測(cè)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(duì)口徑和透過率、紅外探測(cè)器的靈敏度和積分時(shí)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(zhǎng)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(duì)比分析，作如下約定：中波紅外與長(zhǎng)波紅外譜段光學(xué)系統(tǒng)的口徑第第12：中波紅外與長(zhǎng)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(dá)到衍射極限中波紅外和長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的像元尺寸、滿阱電子數(shù)和MTF相同，信號(hào)處理電路MTF相同；中波紅外與長(zhǎng)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(duì)星載中波紅外與長(zhǎng)波紅外推掃成像系統(tǒng)MTF的影響相同；成像性能對(duì)比分析僅考慮對(duì)常溫目標(biāo)成像的情況。

的探測(cè)器成像時(shí)Nyquist頻率處MTFdiff與波長(zhǎng)的關(guān)系。對(duì)于3~5μm的中波紅外譜段和8~10μm的長(zhǎng)波紅外譜段中心波長(zhǎng)分別4μm9μm根1在波長(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)波紅外譜段高。星下點(diǎn)GSD的表達(dá)式如下根據(jù)上述約定，造成星載中波紅外與長(zhǎng)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(cè)器像元尺寸；H為軌道高度

及在成像積分時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)對(duì)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(duì)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(duì)于星載中波紅外與長(zhǎng)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(zhǎng)；l′為中波2姨 2姨外譜段光學(xué)系統(tǒng)焦距 為長(zhǎng)波紅外譜段中心 foc姨 長(zhǎng)；lW為長(zhǎng)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(dá)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(jiǎn)稱口徑)l為光學(xué)系統(tǒng)焦距；F為f數(shù)，=l′/D。對(duì)于星載中波紅外與長(zhǎng)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(cè)器像元尺寸相同時(shí)由于波長(zhǎng)不同光學(xué)系統(tǒng)在中波紅外和長(zhǎng)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(shí)焦距與波長(zhǎng)成反比。對(duì)于3~5μm的中波紅外譜段和8~10μm的長(zhǎng)波紅外譜段，中心波長(zhǎng)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(shí)中波紅外譜段焦距為長(zhǎng)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(zhǎng)波紅外推掃成像系統(tǒng)的口徑和探測(cè)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(zhǎng)波紅外譜段的9/4倍其可實(shí)現(xiàn)的空間分辨率為8~10μm長(zhǎng)波紅外譜段的9/4倍。在測(cè)試星載中波紅外與長(zhǎng)波紅外推掃成像系統(tǒng)的NETD時(shí)，探測(cè)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(zhǎng)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(cè)器單個(gè)探測(cè)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(cè)器單個(gè)探測(cè)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(cè)器光敏元面積；t為探測(cè)器積分時(shí)間；η為量子效率。對(duì)于采用制冷型紅外探測(cè)器的寬譜段紅外成系統(tǒng)一般可達(dá)到或接近光子噪聲限探測(cè)[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(shí)間可以縮短圖2中波紅外譜段NETD隨積分時(shí)間的變Fig.2RelationshipbetweenMWIRbandNETDandintegrationSNR=姨紅外成像系統(tǒng)的NETD可表示為 M

圖3長(zhǎng)波紅外譜段NETD隨積分時(shí)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(duì)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(duì)于3～5μm的中波紅外和8~10μm的長(zhǎng)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(cè)器探測(cè)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(jì)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(jì)算出3～5μm的中波紅外和8～10μm的長(zhǎng)波紅外推掃成像系統(tǒng)的NETD隨積分時(shí)間的變化，分別如圖2和圖3所示兩個(gè)譜段在達(dá)到滿阱電子數(shù)一半即10M電子時(shí)的NETD分別為10.8mK和22.8mK，所需的積分時(shí)間分別為16.9ms和139μs這是針對(duì)單線陣非TDI)紅外探測(cè)器計(jì)算得到的積分時(shí)間。若采用TDI紅外探測(cè)

從上述計(jì)算可以看出，對(duì)溫度為300K附近的常溫目標(biāo)成像時(shí)，3~5μm的中波紅外譜段比8~10μm的長(zhǎng)波紅外譜段可實(shí)現(xiàn)更高的溫度分辨率，前提是積分時(shí)間要足夠長(zhǎng)。若將3~5μm的中波紅外和8~10μm的長(zhǎng)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(diǎn)速率(約為6.7km/s)可計(jì)算出，在16.9ms和139μs的積分時(shí)間飛過的距離分別為113m和0.93m。由該計(jì)算結(jié)果可以看出，為保證中波紅外譜段推掃成像實(shí)現(xiàn)較高溫度分辨率所需的積分時(shí)間，當(dāng)采用單線陣紅外探測(cè)器時(shí)，地面像元分辨率的提高受到限制；為了在中波紅外譜段實(shí)現(xiàn)較高的地面像元分辨率，有必要采用TDI紅外探測(cè)器假設(shè)中波紅外譜段采用10TDI紅外探測(cè)器則所需積分時(shí)間約可減少到單線陣探測(cè)器的1/10。也可以考慮通過衛(wèi)星俯仰運(yùn)動(dòng)來延長(zhǎng)積分時(shí)間，但會(huì)影響衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)條帶成像。對(duì)于長(zhǎng)波紅外譜段推掃成像，所需積分時(shí)間較短，一般情況下積分時(shí)間遠(yuǎn)小于飛過1個(gè)像元第第12：中波紅外與長(zhǎng)波紅外推掃成像性能分析的時(shí)間(駐留時(shí)間；為了充分利用富余的時(shí)間，可在駐留時(shí)間內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)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(zhǎng)波紅外譜段的波長(zhǎng)短，可實(shí)現(xiàn)更高的空間分辨率在積分時(shí)間足夠長(zhǎng)、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(shí)現(xiàn)較高空間分辨率的優(yōu)勢(shì)；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(cè)器來提高溫度分辨率，也可以考慮通過俯仰運(yùn)動(dòng)延長(zhǎng)積分時(shí)間來提高溫度分辨率。對(duì)于長(zhǎng)波紅外譜段推掃成像，所需積分時(shí)間較短，一般情況下積分時(shí)間遠(yuǎn)小于駐留時(shí)間。在探測(cè)器駐留時(shí)間足夠長(zhǎng)、積分時(shí)間有余量的情況下，可考慮在駐留時(shí)間內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)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(xiàn)GongHaimei,ShaoXiumei,LiXiangyang,etal.Advancedtechnologyandapplicationofspaceborneinfrareddetectors[J].InfraredandLaserEngineering,2012,41(12):31293140.(in，邵秀梅,李向陽,等.航天先進(jìn)紅外探測(cè)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)

耿紅艷,周州,宋國(guó)峰,等.紅外探測(cè)器倒裝互連技術(shù)進(jìn)展[J].紅外與激光工程,2014,43(3):722XieXiaohui,LiaoQingjun,YangYongbin,etal.ElectroopticalcharacteristicsofHTeverylongwavelengthinfraredphotovoltaicdetector [J].InfraredandLaserEngineering,2013,42(5):11411145.(inChinese)解曉輝,廖清君,楊勇斌,等.HTe甚長(zhǎng)波紅外光伏器件的光電性能[J].紅外與激光工程,2013,42(5):11411145.JhabvalaM,ChoiK,WaczynskiA,etal.PerformanceoftheQWIPfocalplanearraysforNASA′sLandsatDataContinuityMission[C]//SPIE,2011,8012:80120Q114.JeanPaulChamonal,PatrickAudebert,PhilippeMedina,etal.LonglinearMWIRandLWIRHTeinfrareddetectionarraysforhighresolutionimaging[C]//SPIE,1998,4130:452JohnJSzymanski,PaulGWeber.Multispectralt