據(jù)不完全統(tǒng)計，截止到2021年，全球不同科研機構和高科技企業(yè)先后共研制了12款典型的對地觀測紅外高光譜成像儀。其中，最早的紅外高光譜成像儀是美國宇航公司（Aerospace Corporation）1995年研制的空間增強型寬譜段陣列光譜儀（Spatially enhanced broadband array spectrograph system, SEBASS）。我國紅外高光譜遙感技術發(fā)展晚于歐美，“十五”開始，科技部開始支持中科院上海技術物理研究所開展熱紅外高光譜成像技術的機理研究，“十二五”期間，在科技部重點項目的支持下，中國科學院上海技術物理研究所研制了我國第一臺機載熱紅外高光譜成像儀樣機，在“高分”專項航空全譜段多模態(tài)成像光譜儀項目支持下，進一步完善了機載樣機的工程化水平，形成了機載熱紅外高光譜成像系統(tǒng)（Airborne thermal-infrared hyper-spectral imaging system，ATHIS）。在原有技術體系基礎上，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）和長波（8~12.5 μm）的紅外大氣窗口。

表1  國內(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)、浙江東陽橫店等多個區(qū)域開展了航空遙感應用實驗。ATHIS儀器設計為3臺指標相同的熱紅外高光譜相機以視場外拼接方式實現(xiàn)40°觀測視場，其單臺相機的光學視場在14°左右。在分光技術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，設計為RT光譜儀構。三臺同樣設計的RT光譜儀共同放置在一個低溫100K制冷的冷箱內(nèi)。ATHIS設計有機上定標裝置，用于飛行過程中的儀器的輻射定標。ATHIS采用探測器/光譜儀斯特林制冷方案，最終實測的140個成像波段平均靈敏度達到0.17 K。

表2  機載熱紅外高光譜成像儀ATHIS技術指標

圖4   ATHIS在浙江東陽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在光學設計、結構設計、背景抑制方案和探測器均與ATHIS保持一致，采用了大口徑離軸三反式望遠鏡，空間分辨率達到30m@708 km，結合視場拼接技術實現(xiàn)了觀測幅寬60 km的指標。SIHIS將譜段覆蓋拓展到了中波紅外譜段，共包括328個成像波段。在中波譜段，光譜分辨率達到20nm，靈敏度平均達到0.05 K@400K，在長波譜段，光譜分辨率達到60nm，靈敏度平均達到0.15 K@300K。SIHIS的總視場角為4.84°，未來有望開展空間演示驗證。

表3  星載高分辨率紅外高光譜成像儀SIHIS技術指標

星載高分辨率紅外高光譜成像儀SIHIS在我國首次實現(xiàn)了中波紅外譜段的高光譜成像，下圖給出了該儀器對外成像的中紅外高光譜影像，從光譜曲線來看，可以清晰地識別4300nm附近的CO2強吸收，該技術有望為大氣環(huán)境碳排放精細監(jiān)測提供一種全新技術手段，在空間平臺實現(xiàn)十米量級分辨率的CO2排放大尺度全球監(jiān)測。

圖5 星載高分辨率紅外高光譜成像儀SIHIS地面實測中波高光譜影像

在氣體光學探測領域，3~14 μm的中長波紅外是氣體分子躍遷的“基頻”譜線段，相對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個量級，利用該譜段開展氣體探測具有天然優(yōu)勢，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是未來有望解決大氣環(huán)境精細監(jiān)測和工業(yè)領域應急管理最有利的手段之一。基于上述基本原理，作為一臺實用型紅外高光譜成像儀，ATHIS在氣體探測領域有著獨特優(yōu)勢，能實現(xiàn)氣體的多參量復合探測，能同時實現(xiàn)氣體種類識別、氣體擴散形態(tài)、氣體濃度分布、氣體擴散趨勢等參量探測，相對基于主動激光的氣體探測手段具有能成像的優(yōu)勢，相對基于被動傅里葉紅外的氣體探測手段具有能成像、高時效的特點。

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200米外SF6氣體進行的多參量探測實驗

以SF₆（六氟化硫）為實驗氣體，課題組利用ATHIS儀器開展了氣體探測實驗，探測對象為SF₆氣體，探測距離約200米，當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。這種解析能力與傳統(tǒng)單波段、多光譜紅外成像遙感相比，除了大大擴展了可探測識別的氣體種類的數(shù)量，也一定程度上使檢測污染氣體的像元處理方式變得簡單，從而使得反演得到的氣體濃度準確度大大提高，有望解決復雜背景下氣體濃度與輪廓的探測，未來在能源安全生產(chǎn)領域提供一種獨特的技術手段，滿足危險氣體泄露提前預警的重大需求。