中波红外与长波推扫成像性能分析

第43卷第12红外与激光工程2014年12Vol.43InfraredandLaser中波红外与长波红外推扫成像性能分析(空间机电，摘要：基于长线阵中波红外和长波红外探测器的推扫成像技术，是实现高空间分辨率和高温度分辨率对地观测的技术途径之一。随着长线阵红外探测器的发展，该技术受到高度关注，并已在一的推扫成像技术发现状。重点根据波红外和波红外谱段的波长、温为300K目标的辐射强度以及光学系统和探测器参数，分析了它们的成像性能，包括调制传递函数(MTF)、地面像元分辨率(GSD)和噪声等效温差(NETD)。对于常温目标，在积分时间足够长的情况下，保持相同的MTF谱段的成像性能提出了建议。：中波红外；长波红外；推扫成像；性能分析；对地观号：V447.1文献标志码：A文章编号：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；修订日期201407作者简介：(1967)，男，研究员，博士生导师，博士，主要从事航天光学遥感方面的研究工作。 红外与激光工 第43引高分辨率红外成像技术在侦察、监视、环境监测和资源等方面具有广泛应用，但是，受限于红外探测器技术的发展，基于长线阵中波红外和长波红外探测器的推扫成像技术在对地观测领域中的应用还比较少。近些年长线阵中波、长波乃至甚长波红外探测器技术取得较大进展[15]，红外推扫成像技术逐渐应用于对地观测领域，例如研制的多光谱热成像仪MTI)和热红外传感器(TIRS)以及德国研制的热点识别系统(HSRS均采用推扫成像[6-9]。MTI用于对先进的多光谱和热成像技术进行验证，其运行轨道为580~610km高的同步轨道，共有15个谱段，光谱覆盖范围为0.45~10.70μm其中包括2个中波红外谱段(3.49～4.10μm4.85～5.05μm)以及3个长波红外谱段(8.01～8.39μm、8.42～8.83μm和10.15～10.7m)中波红外和长波红外谱段的地面像元分辨率为23m。探测器3个模块拼接而成，每个模块包含15个谱段。在单个模块中，每个中波红外和长波红外谱段包含207个探测元，探测元尺寸为50μm×50μm。TIRS为陆地数据连续使命(LDCM)卫星的有效载荷之一，其运行轨道为705km高的同步圆轨道。TIRS工作谱段为2个长波红外谱段(10.6～11.2μm和11.5～12.5)地面像元分辨率为100m，采用由3个640×512量子阱红外探测器(QWIP)模块拼接成的探测器进行推扫成像(将面阵探测器作为线阵探测器使用)，探测元尺寸为25μm×25μm。德国研制的BIRD运行轨道为570km高的太阳同步圆轨道，用于对一种新的红外推扫传感器(即HSRS)进行技术验证。HSRS为双通道推扫成像仪，工作谱段为3.4~4.2μm和8.5~9.3μm，专门用于对地球表面热过程进行识别和定量描述。每个通道采用交错排列的2×512HTe线阵探测器，探测元尺寸为30μm×30μm，地面像元分辨率为185m。就星载中波红外和长波红外谱段推扫成像而言，由于2个谱段的波长不同，且目标辐射、大气程辐射、大气透过率以及光学系统和红外探测器的性能在2个谱段存在差异，导致中波红外与长波红

外谱段推扫成像系统的MTF、GSDNETD存在差异。文中对中波红外与长波红外谱段推扫成像系统在典型条件下的成像性能进行了研究。中波与长波红外谱段成像特性概述对于中波红外和长波红外谱段成像，在光学系统口径和MTF一定的条件下，由于中波红外谱段的波长较短，它比长波红外谱段可实现更高的空间分辨率。中波红外和长波红外谱段的成像特性，除了与波长有关，还与目标温度、大气状态以及光学系统和探测器等有关。对于火焰等高温目标，中波红外比长波红外谱段的信号强，在信号上占优势；对于常温和低温目标，长波红外比中波红外谱段的信号强在信号上占优势。对于干冷大气环境，长波红外比中波红外谱段透过率高；对于湿热大气环境，中波红外比长波红外谱段透过率高；对于充满雾气、烟尘的大气环境，长波红外比中波红外谱段力强。此外，在白天成像时，中波红外谱段接收的能量部分来自目标反射的光，会影响目标温度反演。由于中波红外和长波红外谱段成像各有优劣，因此，在条件允许的情况下尽可能采用“双谱段”成像，以获取目标在2个谱段的信息，从而提高对目标的探测和识别能力。但如果条件受限，例如成像系统的体积、质量、功耗、成本等受限，只能选择中波红外或长波红外谱段时，则需要根据目标与背景特性以及观测要素等，通过综合考虑确定观测谱段。中波与长波红外推扫成像性能分析对于红外成像遥感，表征成像系统性能的主要指标为MTF、GSD和NETD。对于星载中波红外与长波红外推扫成像系统，其MTF与光学系统、探测器和信号处理电路的MTF以及在成像积分时间内卫星运动等有关，星下点GSD与轨道高度、红外探测器像元尺寸和光学系统焦距等因素有关，NETD与光学系统的相对口径和透过率、红外探测器的灵敏度和积分时间以及目标温度和大气特性等有关。影响星载中波红外与长波红外推扫成像系统性能的因素很多，为了突出主要影响因素，以便于对比分析，作如下约定：中波红外与长波红外谱段光学系统的口径第第12：中波红外与长波红外推扫成像性能分析和透过率相同，无中心遮拦，性能达到衍射极限中波红外和长波红外探测器的像元尺寸、满阱电子数和MTF相同，信号处理电路MTF相同；中波红外与长波红外推扫成像均为宽谱段成像，噪声主要为光声，暗电流的影响可忽略；大气对星载中波红外与长波红外推扫成像系统MTF的影响相同；成像性能对比分析仅考虑对常温目标成像的情况。

的探测器成像时Nyquist频率处MTFdiff与波长的关系。对于3~5μm的中波红外谱段和8~10μm的长波红外谱段中心波长分别4μm9μm根1在波长4μm和9μm处MTFdiff分别为0.700.35，即在光学系统f数和探测器像元尺寸相同的情况下，光学系统在中波红外谱段的MTF比长波红外谱段高。星下点GSD的表达式如下根据上述约定，造成星载中波红外与长波红外推扫成像系统MTF差异的主要因素是光学系统以

GSD=式中：p为探测器像元尺寸；H为轨道高度

及在成像积分时间内的运动对于无中心遮拦的圆孔径光学系统，其衍射限调制传递函数(MTFdiff)为圆对称函数在水平方向(x方向)和垂直方向(y方向)上的调制传递函数相同。沿x方向上的调制传递函数如公式(1)和公式(2)所示：

对于星载中波红外与长波红外推扫成像系统，假设光学系统的口径和MTF相同则光学截止频率相等。根据公式(3)可得到：λMW·fl′MW 式中：λMW为中波红外谱段中心波长；l′为中波2姨 2姨外谱段光学系统焦距 为长波红外谱段中心 foc姨 长；lW为长波红外 学系统焦距。由公式(5)当 MTFdiff(fx)=0当fx>foc 式中：fx为x方向像空间光学频率；foc为像空间光学截止频率，foc的表达式如下：fc=D/(fl′)=1/(F 式中：D为光学系统入瞳直径(以下简称口径)l为光学系统焦距；F为f数，=l′/D。对于星载中波红外与长波红外推扫成像系统，当光学系统的口径和焦距以及探测器像元尺寸相同时由于波长不同光学系统在中波红外和长波红外谱段的MTF不同。图1给出f数为3的无遮拦光学系统配上像元尺寸为25μm(Nyquist频率为20lp/mm)

知当光学系统的口径和MTF相同时焦距与波长成反比。对于3~5μm的中波红外谱段和8~10μm的长波红外谱段，中心波长分别为4μm和9μm。根据公(5)当光学系统的口径和MTF相同时中波红外谱段焦距为长波红外谱段的9/4倍据此可以得出结论，在星载中波红外与长波红外推扫成像系统的口径和探测器像元尺寸相同，且光学系统MTF相等的条件下，由于3~5μm中波红外谱段的焦距为8~10μm长波红外谱段的9/4倍其可实现的空间分辨率为8~10μm长波红外谱段的9/4倍。在测试星载中波红外与长波红外推扫成像系统的NETD时，探测器接收到的辐射主要包括黑体辐射以及光学系统自身的辐射，这两部分辐射在焦面上形成的光子辐照度为：E=E+E=π[(L(△λ))·τ(△λ)+L 图1f数为3的光学系统MTFdiff随波长的变化Fig.1MTFdiffofopticalsystemwithfnumberof3vs

式中：E为焦面上的谱子辐照度；Et为黑体辐射在焦面上的谱段光子辐照度；Eo为光学系统自身辐射在焦面上的谱子辐照度；F为光学系统的 红外与激光工 第43数；Lt(△λ)为黑体的谱子辐亮度；τo(△λ)为光学系统平均透过率；Lo(△λ)为光学系统的谱子辐亮度，近似为温度等于光学系统温度的黑体的辐亮度乘以(1-τo(△λ))。探测器单个探测元产生的光电子数可表示为Q=Qt+Qo=(Et+Eo)·Ad·t·η 式中：Q为探测器单个探测元产生的光电子数；Qt为黑体辐射产生的光电子数；Qo为光学系统自身辐射产生的光电子数；Ad为探测器光敏元面积；t为探测器积分时间；η为量子效率。对于采用制冷型红外探测器的宽谱段红外成系统一般可达到或接近光子噪声限探测[10]，则噪声为光电子数的均，这里的光电子数包括黑体辐射和光学系统自身辐射产生的光电子数。信噪比(SNR)可表示为：

器，则所需积分时间可以缩短图2中波红外谱段NETD随积分时间的变Fig.2RelationshipbetweenMWIRbandNETDandintegrationSNR=姨红外成像系统的NETD可表示为 M

图3长波红外谱段NETD随积分时间的变化Fig.3RelationshipbetweenLWIRbandNETDandintegration式中：△T为黑体温度差；SNR为信噪比；△M/M为某温度下黑体温度变化△T引起的辐射辐出度变化。对于300K黑体在谱段3～5μm和8~10μm黑体温度升高1K引起的辐射辐出度变化分别为3.69%1.8%对于3～5μm的中波红外和8~10μm的长波红外推扫成像系统，假设它们的光学系统口径和MTF相同，f数分别为4.52光学系统温度为293K，光学系统谱段平均透过率为0.75探测器探测元尺寸为25μm×25μm量子效率为0.7满阱电子数为20M电子)黑体温度为300K根据普朗克定律可计算出黑体和光学系统的谱段光子辐亮度，将各量带入公式(6~(9)可计算出3～5μm的中波红外和8～10μm的长波红外推扫成像系统的NETD随积分时间的变化，分别如图2和图3所示两个谱段在达到满阱电子数一半即10M电子时的NETD分别为10.8mK和22.8mK，所需的积分时间分别为16.9ms和139μs这是针对单线阵非TDI)红外探测器计算得到的积分时间。若采用TDI红外探测

从上述计算可以看出，对温度为300K附近的常温目标成像时，3~5μm的中波红外谱段比8~10μm的长波红外谱段可实现更高的温度分辨率，前提是积分时间要足够长。若将3~5μm的中波红外和8~10μm的长波红外推扫成像系统装在轨道高度为800km的上，根据星下点速率(约为6.7km/s)可计算出，在16.9ms和139μs的积分时间飞过的距离分别为113m和0.93m。由该计算结果可以看出，为保证中波红外谱段推扫成像实现较高温度分辨率所需的积分时间，当采用单线阵红外探测器时，地面像元分辨率的提高受到限制；为了在中波红外谱段实现较高的地面像元分辨率，有必要采用TDI红外探测器假设中波红外谱段采用10TDI红外探测器则所需积分时间约可减少到单线阵探测器的1/10。也可以考虑通过卫星俯仰运动来延长积分时间，但会影响卫星进行连续条带成像。对于长波红外谱段推扫成像，所需积分时间较短，一般情况下积分时间远小于飞过1个像元第第12：中波红外与长波红外推扫成像性能分析的时间(驻留时间；为了充分利用富余的时间，可在驻留时间内对目标进行多次采样成像，一方面可提高飞行方向上的空间分辨率，另一方面可采用类似I的技术11，通过多次采样的数字累加提高温度分辨率。结在成像系统口径和MTF一定的条件下由于中波红外谱段比长波红外谱段的波长短，可实现更高的空间分辨率在积分时间足够长、能够满足温度分辨率要求的情况下，应充分发挥中波红外谱段可实现较高空间分辨率的优势；若中波红外谱段在满足空间分辨率的条件下满足温度分辨率存在，可考虑用TDI红外探测器来提高温度分辨率，也可以考虑通过俯仰运动延长积分时间来提高温度分辨率。对于长波红外谱段推扫成像，所需积分时间较短，一般情况下积分时间远小于驻留时间。在探测器驻留时间足够长、积分时间有余量的情况下，可考虑在驻留时间内对目标进行多次采样成像，一方面可提高飞行方向上的空间分辨率，另一方面可通过多次采样的数字累加提高温度分辨率。参考文献GongHaimei,ShaoXiumei,LiXiangyang,etal.Advancedtechnologyandapplicationofspaceborneinfrareddetectors[J].InfraredandLaserEngineering,2012,41(12):31293140.(in，邵秀梅,李向阳,等.航天先进红外探测器组件技术及应用[J].红外与激光工程,2012,41(12):31293140.GengHongyan,ZhouZhou,SongGuofeng,etal.FlipchipbondingtechnologyforIRdetectors[J].InfraredandLaserEngineering,2014,43(3):722726.(inChinese)

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