用于遥感测温的双通道红外辐射计

用于遥感测温的双通道红外辐射计
摘要 本文介绍了一种用于遥感温度测量的、且与目前大多数星载红外遥感器波段相一致的双通道 红外辐射计。该辐射计采用碲镉汞做为探测器。它可用于温度测量，其同步测量数据可用于星载 红外遥感器的定标和数据的真实性检验。本文舟绍了总体方案、精度计算及光、机、电和数据处理 等部分的设计方法。

1 前言 随着海洋经济在我国国民经济中地位的日益提高及沿海经济的发展，要求加强对海洋的 管理力度。这就使得利用遥感手段对海洋环境进行监馒I的必要性更为突出。在7O年代初，遥 感技术就成功地应用于海洋污染(特别是油污染、热污染以及影响海洋水色、浊度的污染物质) 监测，获得了大量有价值的信息，成为海洋环境监测的有力手段。
航空遥感以其特有的优势，在海洋环境遥感监测方面起到了巨大的作用，为广大遥感工作 者及管理决策部门提供了大量的科学研究数据及决策依据。在近海海洋环境监测、污染监测 及海洋减灾等方面，发挥了不可替代的作用 它以其特有的机动、灵活和高的光谱及空间分辨 率，成为海洋遥感的一项重要手段。 此外，随着卫星对地观测定量遥感技术的发展，卫星遥感应用已逐渐由定性发展到定量。 在对星载遥感器的辐射定标及星载遥感数据的真实性检验工作中，现场及航空同步观测数据 是非常重要的。 可见，航空遥感无论是在海洋环境监测，还是在提高遥感定量化精度方面都起着不可替代 的重要作用。而其中用于探测海面温度的红外技术是不可缺少的有效手段。研究海洋环境需 要了解海面温度场，例如j海洋渔业资源与海洋温度特性及其变化梯度密切相关：海面温度异 常可为海洋污染探测提供依据；黑潮研究也需要温度资料 因此，高精度的机载红外辐射计可 有效地应用于海洋环境监测。通过选择国际上星载红外传感器普遍选用的两个通道作为该红
外辐射计的工作波段，将增强航空数据和卫星数据的可比性，既可提高测量精度，又可 用航 空数据为卫星数据定标，卫星数据弥补航空遥感覆盖率低的不足。所以，开展此项双通道红外 辐射计的研制工作是非常必要的。其目的在于通过开展双通道红外辐射计关键技术研究和相 应的试验工作，为今后该仪器的研制打下良好的基础。 目前波长为11,urn附近的红外窗区通道已被各种对地观测卫星红外遥感器广泛采用，成 为获得地气系统热红外图象的基本遥感通道。原因是此窗口大气相当透明，可获得较丰富的 下垫面信息；白天和夜间均可用于地面热状态遥感；l1,urn 渡段位于地球常温状态对应的 15’1ank函数峰值附近，地气系统辐射较强，有助于提高遥感仪器的信噪比。为提高11,urn波段 的应用效果，一般将红外长窗区通道l0．5～12．5／m1分裂为两个通道，因两个通道辐射量的差 包含有大气状态信息，在目前普遍采用的海面温度遥感资料处理的大气衰减订正的回归方法 中，利用两个分裂窗区通道比单个通道处理精度明显改进。在NOAA业务卫星Av}mR上选 用1O．3～11．4／m1及l1．5～12．5,um两个波段作海面温度及云探测，GMS一5上也选用了这两 个分裂通道，在oc1 上也是这两个波段，在我国计划发射的海洋水色卫星的十波段扫描仪中 也选用这两个热红外波段(见表1)。 表1 各种卫星上热红外传感器所用的波段 卫 星 传感器 嫂段范围 Lands,’,’at一3 MSS多光谱扫描仪 10 5～l2 5儿陆地卫星rn 一3 Landsar_4．5 陆地卫星TM专题制图仪 10 4～l2．5tun 一4．5 N0AA一1O．11 1O 3～ l1．3um 气象卫星 高级甚高分辨率辐射计 11 5～12．5tur~ G(]ES VISSR 10．2～ l1．2tur~ 环境卫星 可见光一红外自旋辐射计 11．5～12 5／ar~ GMS 同步气象卫星 VISSR 10 5～l2 5儿rn FY—l l0 5～ 12．5儿rn 风云一号 HY 一1 lO 3～ 11．4um 海洋水色卫星 11 4～ l2．5tun ～【()s一1 VTlR 10．5～ ll 5／ar~ 海洋观测卫星 可见光一热红外辐射计 11．5～l2 5tur~

2 国内外研究现状 红外技术的发展与应用已有几十年的历史。我国的红外技术研究起步于砷年代，7O年 代得到了长足发展。红外技术被应用于国防、冶金、农业、气象、海洋等诸多领域。在红外仪器 的研制与应用上，高温测量仪器多于低温测量仪器。低温红外仪器的敏感元件受到环境温度 的限制，且目标的辐射能量较小。中国科学院上海技术物理所、北京1411所、天津8357所、北 京农业大学和海洋技术研究所曾研制测温范围低于100℃ 的红外测温仪器。中国科学院上海 技术物理所研制的三通道红外辐射计工作波长分别为：10、3～11．3tan，10．5～12 5tma，11．5 ～ 12 5“m，但只能单通道使用，不能两通道以上同时使用，采用的是热敏电阻探测器；由北京 农业大学研制的红外测温仪，工作波长为单通道6～16tan，采用的是热电堆探测器；海洋技术 研究所自1966年开始研制用于海温测量的红外测温仪器，先后研制生产了HwL1—1型航空 红外测温仪和LGHl—l型机载红外辐射计，前者的工作波段为8～12tma，后者的工作波段为 9-11Ⅱm，采用的是热敏电阻探测器，可直接给出海水的物理温度(绝对温度)，测温范围为一2 ～ +35℃ 和5～+35℃ ，测量精度为0、5"C，为用于海球温度测量，测量下限可延至一15℃ 。 LGH1—1型机载红外辐射计目前一直用于我国海冰的常规航空监测。以上红外仪器虽然各 有特点，在其应用领域中各具优势，但在探测器的选择上采用的是热敏电阻和热电堆。由于这 两种探测器的探测率不是很高+所以限制了仪器的测量指标，此外这些红外仪器均不具备两通 道同时工作的能力 目前了解到国外同类型的红外仪器有美国的PRT一5、Evere5~400红外辐射计，工作波长 为：单通道8～14tma，精度为0．5"C，日本的ER2007型红外测温仪，工作波长为：单通道8～ 12tma，精度为O、5"C，日奉还生产了双通道红外辐射计，工作波长分别为：l_5～2．5 m和3、O - 4．2tma，通过测量海面的热通量，研究海面的海气交换和海水的热传递。这些红外仪器均采 用的是热探测器和光子探测器，由于探测器的探测率不高，因此在精度上受到了一定的限制， 此外日本的双通道红外辐射计的工作波长与卫星红外波段采用的工作波长不一致，不利于数 据的同化。随着遥感技术的不断深入，未来红外遥感仪器的发展趋势为多通道、高精度、高分 辨率。

3 测量原理与仪器构成
3．1 探测器 红外探测器种类很多，如：热敏电阻、热释电器件、热电偶与热电堆、碲镉汞等，按其工作机 理可分为两大类：光子探测器和热探测器(部分红外探测器性能见表2)。这些红外探测器各 具特点，热敏电阻、热释电器件、热电偶与热电堆使用方便，易于测量的实现，但其缺点为精度 不高，且测量结果受到工作环境温度的影响；碲镉汞(HgCATe)是近些年来发展较快的一种红 外探测器件，且目前国内外星载和机载的红外探测器均采用的是碲镉汞，碲镉汞探测精度较 高，工作在恒温状态下(77K)，不受工作环境温度影响，利于保证测量精度，从表2中也可以看 出碲镉汞有较高的比探测率和较快的时间响应，缺点是需要增加保证其恒温工作环境的装置。 基于以上红外探测器特点分析及本项目的技术指标要求，我们最终选择了碲镉汞做为双通道 红外辐射计的探测器。 衰2 部分红外探测器性能 响应波段 峰值比探测率 响应撩测器 模式 时间 (岫1) (ml·}k】 ·W ) (s L rGS 热释电 l～38(kBr窗口) 3～10×l0B <10 1AT日()t 热释电 2～25(Ge窗口) 4～5×l0B <10 3 锰— 镍一钴 热敏 氧化物 (浸没) 2-25(Ge窗口) 2～5×108 2-3×10 H~TC,dTe 光导 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 光导 6～14 2-4×10to 由于要达到0．5k的测量精度，故选择了碲镉汞(HgCxlTe)探测器，具体参数为 * 响应波段分别：(10．5～11．5) n，(I1．5～12．5)胛n *波段探测率：D ≥1．5×10lO(crn·Hz ·W ) *波段响应率： ≥5．0×10 (V·WI1) * 灵敏面积：Ad=0．25rnm×0．27mm 精度计算如下： 噪声等效功率：NEP=~／ ·Af／D △，-_测量电路的带宽(}fz) 取,af =100 Hz NEP=I．732051×10一 (w) 根据斯忒藩一玻耳兹曼定律，黑体的总辐射出射度为：M ： ·T 对于灰体有：M =￡·d· 通过大气和光学系统后：帆=r’7’e’B’ ‘T ‘詈‘A0 考虑到调制的影响： =K1·r·7·e·B· ·T · ·A0 将上式对T求导：△M：=4Kl·f· ·E·B·d·T ·詈·A0·△T 当 腿P时，噪声等效温差： NE~T=NEP‘ ／(4Kl。f‘ ’E‘B‘d‘T ‘∞‘A0) 其中：K．— — 调制因子(0．286) E— — 发射率(0．98) d— — 斯忒藩— 玻耳兹曼常数(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— — 大气透过率(0 7) 矿一光学系统效率(0．6) m — — 视场角 T— — 绝对温度 A — — 光闻面积 必T =4．324988× 10 ／co·T 当目标温度为一20℃ 时：NEAT=2．670689×10 ／co 视场角为2。时， =9．571882×10 M T=0．02790(C ) 视场角为15。时+(tJ=5．445128×10I2 NE△T=0．00049(℃ ) 当目标温度为35℃ 时，NE△T=1．480242×10 ／co 视场角为2。时， ：9．571882X 10I4 M T=0．01546(℃ ) 视场角为15。时，(tJ=5 445128×10-2 NEL4T=0．o00272(℃ ) 由以上推导可得出在测温范围为一20-35℃ 、视场角为2。、15。的情况下，HgCdTe探测器 的测温精度均能满足要求。
3 2 总体构成 红外系统通常由光学部分、光学调制器(或扫描器)、红外探测器和信号采集处理部分组 成，此外由于某些探测器必须在低温下工作，故有些红外系统还包括致冷装置。系统构成见图 1 o 为了实现人射能量的高利用率，采用了双元探测器及双光路的设计，这样使入射能量的利 用率提高了一倍+提高了灏I量精度。转速计| 水份计| 水份仪| 分析仪| 溶氧计| 电导度计| PH计| 酸碱计| 糖度计| 盐度计| 酸碱度计| 电导计| 水分测定仪| 浊度计| 色度计| 粘度计| 折射计| 滴定仪| 密度计| 热流计| 浓度计| 折射仪| 采样仪|  图1 系统构成
3，3 光学系统 双通道红外辐射计的光学部分包括：滤光片和透镜。 (1)滤光片 滤光片的作用是限定探测器所能接收到的能量的光谱围。根据两个通道带宽范围的要求 (10．5～l1．5tma，l1．5～12．5tma)，设计了干涉滤光片。具体指标见滤光片透过率曲线。本方 案采取了滤光片与探灏I器一体化的设计，即滤光片以与探测器相应的尺寸附在探测器表面，这 样做的优点是：既缩小了体积又便于光路调整 (2)透镜 透镜将接收到的目标或景物的红外辐射传递给探测器，主要是起会聚作用。完成该功能 一般可采用两种结构设计，即反射式结构和透射式结构，由于对于短焦距系统透射式结构有使 系统更加紧凑的特点，故采用透射式结构设计，用透镜起会聚作用。 因为探测器的面积为0．25ram×0．27ram，为了使探测器的面积得到充分利用，要求经过 透镜后的光斑略大于探测器表面的外切圆，外切圆的直径为0．37ram。按照以上要求针对物 方视场角为2。的透镜进行了设计和加工。材料选用锗(折射率n=4)，对影响会聚效果的象差 (主要是球差)进行了校正，设计的透镜参数如下： 材料：锗(Ge)n-4 焦距：，=14．572mm 口径：D=10mm 中心厚度：d=4rim1 象高：Y =0．254mln 表面镀ZnS增透膜，双面透过率大于96％(在1O 5～12 5tan范围内)。
3．4 调制 调制实质上是对所需信号或被传输的信息做某种形式上的变换，使之便于处理或传输。 本方案采用了调制盘做为调制器，当调制盘以一定的速度旋转时，由于切割作用，使得通过调 制盘的辐射能量变成了断续形式，探测器接收来自经调制后的目标信号，经过转换以交流电信 号形式输出给前置放大器。根据探测器的最佳响应频率，选择调制频率为1000Hz。由6000r／ min(24V直流)的电机带动有十个扇型齿的调制盘来实现。
3 5致冷 为了降低光子探测器的噪声电平，以获得较高的信噪比，往往需要将探测器致冷，使其处 于低温状态下工作。致冷器按工作方式可分为三种：开式循环致冷器、闭式循环致冷器、和固 态致冷器。根据仪器的具体情况和碲镉汞探测器对环境工作温度的要求，我们采用了液体致 冷器(杜瓦瓶)，它属于开式循环致冷器。致冷剂选用液氮，汽化温度为77 3K。为了减小体 积，使仪器小型化，杜瓦瓶设计成双元单瓶液氮制冷结构，即两个碲镉汞探测器共用一个杜瓦 瓶。杜瓦瓶为金属底窗封装，外形尺寸为q590rrml×120mm，贮液时问为6h。
3．6 信号处理和数据采集 红外信号通常是很微弱的，必须要经过放大、滤波，然后才能判定是否为目标信息。前置 放大器的作用就是将探测器输出的弱信号进行必要的放大和滤波。根据探测器和对信号处理 的要求．将前制放大器的带宽设计为20}Iz～13kHz，放大倍数为10 。经过前置放大后的电压 信号为毫伏级，为了满足数据采集的需要，还必须对前置放大的输出信号进行二次放大。A／D 转换与调制同步，利用定标数据进行数据处理，输出测量结果。
3．7 辐射量定标 对于定量测量来讲，辐射量定标是一项非常重要的内容，它直接影响到测量的准确度。双 通道红外辐射计必须在仪器研制完成后和每次试验前后，分别针对其两个通道进行辐射量定 标。具体方法是：在不同的环境温度下，用被定标仪器对测量范围内的不同已知目标进行一系 列测量，根据仪器的输出建立或修改该仪器的定标公式，从而保证仪器的测量精度。

4 总结 对于海洋监测，该仪器既可用于航空海面温度的测量，也可用于短期的船用海面温度测 量。试验证明，该仪器一次充氮可连续工作6h以上，并具有使用过程中操作简单、数据处理方 便等优点。在表面温度监测及遥感应用方面，有较好的应用前景。