多光譜感測器

多光譜感測器的系統結構, 包括光學部分和控制/ 顯示部分，光學通路, 包括成像光學元件和劃分光譜的光學元件。

感測器的外殼內裝有一個用於接收被測輻射的入射孔徑。在入射孔徑後面的輻射路徑中,光學裝置將人射光束分裂, 使其進入若干個濾光片, 這些濾光片具有各不相同的光譜透射範圍, 超出這些範圍, 它們都是反射的。在這些濾光片後面的部分光束的輻射通路中裝有輻射敏感元件。濾光片與入射光束的光軸是平行排列的。光學裝置鏡面互相相對傾斜, 它們對於被測光束的光譜範圍是高度反射的。光學裝置是一個稜錐體, 它有一個對角的基表面, 其稜角的數目與濾光片的數目相對應。

基本介紹

• 中文名：多光譜感測器
• 外文名：multispectral sensor 
• 主要組成部分：一個光源和成像系統
• 功能：成像感測
• 作用：檢測來自非生物的肉或有機材料
• 譜段：可見光、近紅外、中長波紅外

系統結構

多光譜感測器的系統結構, 包括光學部分和控制/ 顯示部分。

光學部分包括利用離軸3鏡反射光學元件的成像光學元件、利用分光鏡來劃分譜段的分光元件。所劃分的6 個譜段需要用6個探測器, 分別是3個可見光探測器、1個近紅外探測器、1箇中波紅外探測器、1個長波紅外探測器。標準溫度板放置在中央圖像的周圍以補償紅外探測器的非均勻性。

多光譜感測器的系統結構圖

控制/顯示部分包括控制器、圖像信號處理器、溫度控制器和顯示器(螢幕), 其中, 控制器、圖像信號處理器控制6 個譜段的圖像。在可見光和近紅外譜段以8bit的速度對信號進行處理, 在紅外譜段是以12bit的速度對信號進行處理。數位化圖像被記錄在光學磁碟上。溫度控制器將光學元件控制在20 ℃ 一40 ℃範圍內。顯示器(螢幕) 可顯示出控制器/ 信號處理器處理過的圖像,圖像水平解析度高於1000線。

光學通路

多光譜感測器的光學通路圖, 包括成像光學元件和劃分光譜的光學元件。成像光學元件使用的是離軸3鏡反射光學元件, 它可在寬的視場內提供一個光譜範圍寬、解析度高的無遮擋視場。3鏡式像散透鏡由2個非球面鏡和1個球面鏡組成, 成為一個具有遠心焦平面的結構。

劃分光譜的光學元件由4 個分光鏡組成。被稱為Drude的分光鏡首先將光線分成可見光/近紅外和紅外譜段, 然後再用另外3 個分光鏡將光譜範圍分成3 個可見光、1個近紅外、1箇中波紅外和1個長波紅外譜段。

多光譜感測器的光學通路圖

中央圖像被傳輸到放大係數約為1/ 2.6 的紅外探測器上以便校正可見光/ 近紅外和中波/長波紅外之間的像面差。具有1000個元件的CCD用於3個可見光譜段和一個近紅外譜段, 具有960個元件的HgCdTe線陣用於中波紅外和長波紅外譜段。

具體設計

感測器的外殼內裝有一個用於接收被測輻射的入射孔徑。在入射孔徑後面的輻射路徑中,光學裝置將人射光束分裂, 使其進入若干個濾光片, 這些濾光片具有各不相同的光譜透射範圍, 超出這些範圍, 它們都是反射的。在這些濾光片後面的部分光束的輻射通路中裝有輻射敏感元件。濾光片與入射光束的光軸是平行排列的。光學裝置鏡面互相相對傾斜, 它們對於被測光束的光譜範圍是高度反射的。光學裝置是一個稜錐體, 它有一個對角的基表面, 其稜角的數目與濾光片的數目相對應。

多光譜成像系統利用，而不是通常用於紅外成像所用的準單色照明多種光照波長。正交的線性偏振配置強調這多光譜光，能穿透皮膚的表面。然後經過光從之前對圖像陣列皮膚出現多重散射事件。在避免了紅外光學現象，多光譜成像感測器，能夠收集更多的識別從手指比紅外感測器的數據。多光譜成像感測器可以透過國際公路貨運的無縫集成為一個紅外圖像系統，也可以獨立的。

國內外發展狀況

在紅外多光譜感測器的生產研製方面，國外的研究起步較早，也取得了大量成果。20世紀80年代成像光譜儀的出現是國際遙感發展史上具有標誌性的成果，它的出現開啟了多光譜成像探測技術的開端。英國率先研製成功了雙色SPRITE探測器，之後在TICMII的基礎上，研製出了兩波段的熱像儀。法國於1977年研製出了實用化的雙波段搜尋跟蹤系統“VAMPIR”，並將該系統裝備在兩艘飛彈驅逐艦上。自從1983年美國噴氣推進實驗室(JPL)研製成功第一台成像光譜儀(AISI)以來，多光譜成像系統的研究日趨活躍。美國OKSI公司在1922年，設計了工作在可見/近紅外及中波紅外的智慧型導引頭多光譜成像儀。該多光譜感測器採用卡塞格林物鏡將入射光進行會聚，後端採用分光鏡將500-1000nm可見/近紅外光反射進入相應分光子光路，採用256.256元CCD探測器接收；將2.5-5μm中波紅外輻射透射過分光鏡至紅外分光子光路，並採用160.120元InSb陣列接收。

美國軍方“聯合多光譜計畫(JMSP)於1993年11月和1994年6月進行了紅外多光譜現場測試。在試驗中，對目標和背景的光譜特徵進行綜合分析後，確定了頻寬為200μm，中心波長分別為8.7μm、9.15μm、9.35μm的三個最佳工作波段，這三個波段已成為機載前視紅外(FLIR)系統的推薦工作波段。

最近，在美國的“國家飛彈防禦計畫”中，採用了可見光、短波紅外、中波紅外和長波紅外四個光譜段對地基動能攔截器的大氣層外目標攔截的效果進行觀測評估。

此外，在經典的雙波段探測技術上，人們沒有停止過對最佳工作波段的探索。荷蘭國防、保密與安全研究機構的工作人員提出了一種在中波紅外範圍尋求兩個最佳波段組合的方法，該方法確定的兩個工作波段分別為4.49~4.56μm和3.5μm附近的一個窄波段。這種波段組合很大程度上提高了紅外感測器的探測距離。美國的“戰區飛彈防禦計畫”和“國家飛彈防禦計畫”在研究處於助推階段的彈道飛彈時，採用了3~5μm和8~12μm的波段組合，較好的實現了成像探測。

最近幾年，隨著各方面相關技術的快速發展，多光譜感測器在高速場景的實時成像探測方面已成為可能。2005年3月，由美國飛彈防禦局(MDA)倡導的小企業創新計畫(SBIR)中就出現了“瞬時事件的超光譜/多光譜成像”項目。

目前，許多國家都投入到紅外多光譜感測器的研製中，並研製出了四五十種各具特色的多光譜成像感測器，這些感測器有的己經進入了商業運營，技術比較成熟。

經過近幾年的發展，國內紅外多光譜成像技術已經取得了長足的進步，包括光學系統的設計、非球面以及衍射光學元件的套用、探測器的研究等。但是由於國內對於紅外熱成像技術的研究起步較晚且受到國外的技術封鎖，水平與規模和國外相比尚有一定的差距。