據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2021年，全球不同科研機(jī)構(gòu)和高科技企業(yè)先后共研制了12款典型的對(duì)地觀測(cè)紅外高光譜成像儀。其中，最早的紅外高光譜成像儀是美國(guó)宇航公司（Aerospace Corporation）1995年研制的空間增強(qiáng)型寬譜段陣列光譜儀（Spatially enhanced broadband array spectrograph system, SEBASS）。我國(guó)紅外高光譜遙感技術(shù)發(fā)展晚于歐美，“十五”開始，科技部開始支持中科院上海技術(shù)物理研究所開展熱紅外高光譜成像技術(shù)的機(jī)理研究，“十二五”期間，在科技部重點(diǎn)項(xiàng)目的支持下，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制了我國(guó)第一臺(tái)機(jī)載熱紅外高光譜成像儀樣機(jī)，在“高分”專項(xiàng)航空全譜段多模態(tài)成像光譜儀項(xiàng)目支持下，進(jìn)一步完善了機(jī)載樣機(jī)的工程化水平，形成了機(jī)載熱紅外高光譜成像系統(tǒng)（Airborne thermal-infrared hyper-spectral imaging system，ATHIS）。在原有技術(shù)體系基礎(chǔ)上，2020年成功研制了空間高分辨紅外高光譜成像儀（Space-borne infrared hyper-spectral imaging system，SIHIS），SIHIS覆蓋中波（3~5 μm）和長(zhǎng)波（8~12.5 μm）的紅外大氣窗口。

表1  國(guó)內(nèi)外主要紅外高光譜成像儀

ATHIS于2016年研制成功，并在浙江舟山、海南東方、河北雄安新區(qū)、浙江東陽(yáng)橫店等多個(gè)區(qū)域開展了航空遙感應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。ATHIS儀器設(shè)計(jì)為3臺(tái)指標(biāo)相同的熱紅外高光譜相機(jī)以視場(chǎng)外拼接方式實(shí)現(xiàn)40°觀測(cè)視場(chǎng)，其單臺(tái)相機(jī)的光學(xué)視場(chǎng)在14°左右。在分光技術(shù)路線的選擇上采用了平面閃耀光柵分光，為了減小光譜儀體積，設(shè)計(jì)為RT光譜儀構(gòu)。三臺(tái)同樣設(shè)計(jì)的RT光譜儀共同放置在一個(gè)低溫100K制冷的冷箱內(nèi)。ATHIS設(shè)計(jì)有機(jī)上定標(biāo)裝置，用于飛行過程中的儀器的輻射定標(biāo)。ATHIS采用探測(cè)器/光譜儀斯特林制冷方案，最終實(shí)測(cè)的140個(gè)成像波段平均靈敏度達(dá)到0.17 K。

表2  機(jī)載熱紅外高光譜成像儀ATHIS技術(shù)指標(biāo)

圖4   ATHIS在浙江東陽(yáng)橫店飛行獲取的熱紅外影像圖

星載高分辨率紅外高光譜成像儀SIHIS在光學(xué)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、背景抑制方案和探測(cè)器均與ATHIS保持一致，采用了大口徑離軸三反式望遠(yuǎn)鏡，空間分辨率達(dá)到30m@708 km，結(jié)合視場(chǎng)拼接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)幅寬60 km的指標(biāo)。SIHIS將譜段覆蓋拓展到了中波紅外譜段，共包括328個(gè)成像波段。在中波譜段，光譜分辨率達(dá)到20nm，靈敏度平均達(dá)到0.05 K@400K，在長(zhǎng)波譜段，光譜分辨率達(dá)到60nm，靈敏度平均達(dá)到0.15 K@300K。SIHIS的總視場(chǎng)角為4.84°，未來有望開展空間演示驗(yàn)證。

表3  星載高分辨率紅外高光譜成像儀SIHIS技術(shù)指標(biāo)

星載高分辨率紅外高光譜成像儀SIHIS在我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)了中波紅外譜段的高光譜成像，下圖給出了該儀器對(duì)外成像的中紅外高光譜影像，從光譜曲線來看，可以清晰地識(shí)別4300nm附近的CO2強(qiáng)吸收，該技術(shù)有望為大氣環(huán)境碳排放精細(xì)監(jiān)測(cè)提供一種全新技術(shù)手段，在空間平臺(tái)實(shí)現(xiàn)十米量級(jí)分辨率的CO2排放大尺度全球監(jiān)測(cè)。

圖5 星載高分辨率紅外高光譜成像儀SIHIS地面實(shí)測(cè)中波高光譜影像

在氣體光學(xué)探測(cè)領(lǐng)域，3~14 μm的中長(zhǎng)波紅外是氣體分子躍遷的“基頻”譜線段，相對(duì)位于可見光或者短波譜段的“合頻”、“倍頻”譜線段，其吸收深度要比前者深1~3個(gè)量級(jí)，利用該譜段開展氣體探測(cè)具有天然優(yōu)勢(shì)，下圖給出了典型氣體分子在紅外譜段的指紋光譜吸收曲線。紅外高光譜成像技術(shù)是未來有望解決大氣環(huán)境精細(xì)監(jiān)測(cè)和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)急管理最有利的手段之一。基于上述基本原理，作為一臺(tái)實(shí)用型紅外高光譜成像儀，ATHIS在氣體探測(cè)領(lǐng)域有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能實(shí)現(xiàn)氣體的多參量復(fù)合探測(cè)，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)氣體種類識(shí)別、氣體擴(kuò)散形態(tài)、氣體濃度分布、氣體擴(kuò)散趨勢(shì)等參量探測(cè)，相對(duì)基于主動(dòng)激光的氣體探測(cè)手段具有能成像的優(yōu)勢(shì)，相對(duì)基于被動(dòng)傅里葉紅外的氣體探測(cè)手段具有能成像、高時(shí)效的特點(diǎn)。

圖6 典型氣體分子在紅外譜段的指紋光譜吸收曲線

圖7   利用ATHIS儀器對(duì)200米外SF6氣體進(jìn)行的多參量探測(cè)實(shí)驗(yàn)

以SF₆（六氟化硫）為實(shí)驗(yàn)氣體，課題組利用ATHIS儀器開展了氣體探測(cè)實(shí)驗(yàn)，探測(cè)對(duì)象為SF₆氣體，探測(cè)距離約200米，當(dāng)SF₆氣體從氣罐中放出后，基于得到的紅外高光譜數(shù)據(jù)立方體數(shù)據(jù)分析，可以看到SF₆氣體從低于背景溫度而表現(xiàn)出的吸收光譜形狀到溫度升高后表現(xiàn)出的發(fā)射光譜形狀的變化趨勢(shì)。這種解析能力與傳統(tǒng)單波段、多光譜紅外成像遙感相比，除了大大擴(kuò)展了可探測(cè)識(shí)別的氣體種類的數(shù)量，也一定程度上使檢測(cè)污染氣體的像元處理方式變得簡(jiǎn)單，從而使得反演得到的氣體濃度準(zhǔn)確度大大提高，有望解決復(fù)雜背景下氣體濃度與輪廓的探測(cè)，未來在能源安全生產(chǎn)領(lǐng)域提供一種獨(dú)特的技術(shù)手段，滿足危險(xiǎn)氣體泄露提前預(yù)警的重大需求。