基于光谱波段优化与数字域时间延迟积分的高空间分辨率多光谱长波红外成像系统灵敏度增强方法

《Infrared Physics & Technology》：A sensitivity-enhancement method based on spectral-band optimization and digital-domain TDI for high-spatial-resolution multispectral long-wave infrared imaging systems

　　

## 摘要

高分辨率多光谱长波红外（LWIR）遥感能够捕捉热辐射对比和温度场信息，支持岩性边界圈定、蚀变制图和矿化异常检测。然而，高分辨率成像所需的窄瞬时视场角（IFOV）降低了单像素的辐射通量，从而降低了探测灵敏度和地表温度与发射率反演精度。在保持精细空间分辨率的同时增强多光谱长波红外探测灵敏度仍是一项关键挑战。在此，我们提出了一种面向高分辨率多光谱长波红外成像的灵敏度增强方法。首先，利用发射率光谱的低维表征确定所需观测波段数，并建立有效温度敏感函数（ETSF）和波段温度响应系数（BTRC），用于量化候选波段的温度响应能力，再采用遗传算法优化各波段的中心波长和带宽，从而确定最终光谱配置。其次，我们提出了一种焦平面集成滤光片架构与光谱维度多行数字延迟积分相结合的方案，以增强带内信号积累并提升探测灵敏度。为验证所提策略，我们研制了一台工作波段为7.2–12.5 μm的七波段机载多光谱长波红外成像系统。实验和飞行结果表明，该系统在0.5 mrad的瞬时视场角下（2.8 km处地面分辨率1.4 m）实现了低于30 mK的噪声等效温差（NETD）。所有通道均表现出线性辐射响应，基于定标的温度残差平均值约为0.45 K。这证实了该方法在高分辨率约束条件下能够提升探测灵敏度和温度反演能力，为多光谱长波红外遥感在地质领域的应用提供了切实可行的技术途径。

## 引言

岩石、矿物和蚀变产物的遥感为地质制图和矿产资源评估提供了重要基础[1]、[2]。岩性单元和矿物组合反映了区域地质背景和物质组成，而热液蚀变则记录了成矿流体的活动轨迹和空间展布。这些观测共同为异常筛选、野外采样和后续勘探规划提供了关键先验信息[3]、[4]。与主要依赖太阳反射辐射的可见光、近红外和短波红外遥感不同，长波红外（LWIR）遥感测量的是地表的固有热发射。它能够在长波红外区域进一步分辨典型造岩矿物（包括硅酸盐、碳酸盐和硫酸盐）的发射率差异，在岩性识别、蚀变矿物制图和热异常检测方面具有独特优势[5]、[6]、[7]。与单波段长波红外观测相比，多光谱长波红外成像提供了额外的光谱约束，有助于分离温度、发射率和大气扰动的耦合效应。这些约束使得温度–发射率分离（TES）成为可能，并支持提取与岩石和矿物相关的诊断性发射率特征[8]、[9]。与高光谱系统相比，多光谱配置能够在保留最具信息量的光谱特征的同时，提供更高的单通道辐射能量、更小的数据量、更低的系统复杂度和更强的工程可行性[10]。因此，推进多光谱长波红外成像能够加强岩性和矿物制图的观测基础，并提升弱热异常的探测能力。

空间分辨率是决定多光谱长波红外成像系统地质适用性的关键因素。与先进空间热发射和反射辐射计（ASTER）等卫星传感器提供的15–90 m空间分辨率相比，米级观测更适合解析矿化体及其空间变异性。特别是，1–5 m范围内的观测更适合精细尺度的地质制图，约3 m的空间分辨率被认为能够有效圈定小型地质目标[11]。在Steamboat Springs地热区，Vaughan等人[12]强调地热地表显现通常空间展布有限，因此需要高分辨率数据。由于ASTER的90 m空间分辨率，其长波红外影像仅能捕捉硅质结壳沉积的宏观范围，而MODIS/ASTER机载模拟器（MASTER）的5 m多光谱长波红外观测则能以更精细的空间细节分辨硅质结壳和热液蚀变岩石。类似地，Kruse和McDowell对比了MASTER和高光谱热发射光谱仪（HyTES）的长波红外数据，表明空间分辨率直接控制地质信息提取的保真度：35 m数据主要适用于大范围地质单元的制图，而2–3 m观测在解析露头级和矿区级特征方面则有效得多[13]。Guha等人[14]进一步指出，与矿化相关的地表特征通常规模小、破碎且呈斑块状分布，难以通过低分辨率卫星数据检测。综合上述研究可以发现，旨在检测岩性边界、断裂接触带和小型蚀变特征的多光谱长波红外系统应实现米级空间分辨率，1–5 m代表了合理且具有实际应用价值的目标范围。

探测灵敏度，通常以噪声等效温差（NETD）来量化，是多光谱长波红外成像系统的关键性能指标。它既影响弱热异常的探测，也影响地表温度的定量反演。对于岩石、矿物和热液蚀变产物而言，系统探测灵敏度直接决定了弱热异常能否被可靠识别。与地热或热液活动相关的表面温度异常可低至0.05–0.5 K。这些异常难以探测，因为它们通常表现为热对比度低、空间展布有限或亚像素特征，容易被背景热波动所掩盖[15]。当系统NETD接近目标温度异常的量级时，仪器噪声会显著衰减甚至淹没异常信号，导致异常边界模糊、空间连续性退化以及漏检风险增加。典型的多光谱长波红外仪器进一步说明了低噪声设计对可靠探测弱异常的重要性。例如，国际空间站生态热辐射计试验（ECOSTRESS）采用8–12.5 μm的五个长波红外波段，其中三个波段的NETD低于0.15 K，其余波段低于0.35 K，能够支持夜间地表温度异常的探测[16]。Landsat 8长波红外进一步证明了低噪声热观测的重要性，其两个长波红外通道（中心波长分别约为10.9 μm和12.0 μm）在300 K时的NETD约为0.05 K，支持区域地表温度异常的提取[17]。相比之下，ASTER长波红外提供8–12 μm的五个长波红外波段，在300 K时NETD低于0.3 K，能够通过石英指数、碳酸盐指数和暗色矿物指数等光谱指数来增强岩性和矿物学对比[18]、[19]。NETD直接决定多光谱长波红外系统中温度反演的可达精度。较高的NETD会向传感器测量的辐射度和亮温中引入更强的随机扰动，从而放大温度–发射率耦合误差。这种退化会降低地表温度反演精度并损害发射率重建的稳定性。Zhao等人[20]利用机载高光谱扫描仪（AHS）数据分析了中红外分裂窗反演算法的误差预算，表明0.33 K的NETD与0.01的水汽不确定性相结合，可产生0.4–2.8 K的温度误差。相关的噪声敏感性分析还表明，抑制随机噪声传播最多可将温度反演的最大误差降低0.75 K[21]。此外，Gillespie等人[22]报告NETD≤0.3 K时，温度反演精度可达约±1.5 K，发射率精度约±0.015。Jacob等人[23]表明，在TES反演中，仪器噪声的影响与大气误差相当，且远大于经验算法假设引入的不确定性。

高分辨率和高探测灵敏度对于多光谱长波红外成像系统中精细尺度目标辨识和弱热异常探测均至关重要，但两者难以同时实现。提高空间分辨率通常需要更小的瞬时视场角（IFOV），这将减少每个像素收集的目标辐射。在机载推扫成像中，平台运动限制了目标驻留时间、限制了有效信号积累，这一约束被进一步加剧。在实际的孔径尺寸、F数、探测器噪声和积分时间等约束条件下，接收辐射能量不足会降低信噪比（SNR）并增大NETD，从而削弱系统检测细微温度对比的能力。因此在保持高分辨率的同时提高探测灵敏度，仍然是机载多光谱长波红外成像系统设计中的核心挑战。目前，若干机载长波红外载荷在系统开发和应用验证方面取得了显著进展。矿物与气体识别仪（MAGI）由航天公司（The Aerospace Corporation）于2011年研制，采用7.1–12.7 μm范围内的32个光谱波段，瞬时视场角为0.53 mrad，展现了强大的光谱获取能力和较高的空间分辨力。然而，其NETD约为130 mK，表明其探测灵敏度仍然有限。弱地表热异常、低对比度背景目标和远距离小型热目标需要更高的热灵敏度，因为其微弱的温度信号容易被退化或掩盖[24]。一个德国研究团队将商用长波红外相机平台Video Airborne Longwave Observations within Six Channels（VELOX）集成到德国高空长航程研究飞机（HALO）上，开展云和地表性质的二维长波红外观测。HALO专为高空、长续航科学任务设计，其平台特性非常适合在高空飞行条件下获取大面积长波红外观测。VELOX系统覆盖7.7–12 μm光谱范围，在10 km飞行高度下实现10 m × 10 m的地面采样距离，瞬时视场角为1 mrad，探测灵敏度约为40 mK，展现了较高的测量灵敏度[25]。然而，从空间分辨力的角度来看，VELOX更适合相对较大尺度的目标观测，其10 m级的采样对于精细辨识米级弱热异常仍然不足。长波红外多光谱扫描仪（TIMS）由美国国家航空航天局（NASA）研制，是另一台具有代表性的机载多光谱长波红外仪器。它采用8–12 μm区域的六个光谱波段，主要用于观测硅酸盐和非硅酸盐岩石，是地质应用机载多波段长波红外探测的重要里程碑[26]。然而，尽管TIMS的光谱波段配置面向岩性识别，其瞬时视场角为2.5 mrad，温度探测灵敏度约为0.1–0.3 K，对于需要更精细空间采样和更低仪器噪声的高精度定量探测而言仍然不足。夏威夷大学研制的机载高光谱成像仪（AHI）采用平光栅光谱架构、液氮制冷光学元件和斯特林制冷探测器，实现了约100 mK的整体系统灵敏度和2 mrad的角空间分辨率。尽管具备这些低温和光谱设计特征，该仪器在精细尺度目标辨识和细微温度对比精确探测方面仍然不足[27]。因此，尚未解决的关键挑战是如何在不牺牲高分辨率的前提下提升多光谱长波红外成像系统的探测灵敏度。这一进步对于稳健检测弱热异常和准确定量反演地表温度至关重要。

为解决这一尚未解决的矛盾，我们提出了一种面向高分辨率多光谱长波红外成像系统的灵敏度增强方法。首先，利用发射率光谱库的低维参数化确定所需光谱波段数，建立波段温度响应系数（BTRC），并采用遗传算法（GA）优化各波段的中心波长和半高全宽（FWHM）。其次，在优化后的光谱配置指导下，我们提出了一种将焦平面滤光条带与数字域延迟积分（TDI）相结合的灵敏度增强策略，从而在有限波段配置下增强带内信号获取并提升系统级探测灵敏度。基于该方法，我们研制了一台覆盖7.2–12.5 μm波段范围的七波段机载多光谱长波红外成像系统。该系统实现了0.5 mrad的瞬时视场角（2.8 km处地面分辨率1.4 m）、300 K下低于30 mK的NETD，以及0.45 K的平均绝对辐射定标残差。这些实验结果验证了所提方法的有效性，为多光谱长波红外成像应用于弱热异常探测和地表温度反演提供了切实可行的技术基础。

本研究主要贡献如下：

第一，我们提出了一种面向高分辨率多光谱长波红外的系统级灵敏度增强方法。该方法将光谱配置与信号增强整合到统一的设计框架中，从而提升了系统获取弱温度对比信号的能力。

第二，我们从理论上建立了一种光谱配置方法。基于发射率光谱库的低维参数化确定光谱波段数，在此基础上建立BTRC并结合遗传算法优化各波段的中心波长和半高全宽，为在有限波段配置下平衡光谱信息获取、温度响应能力和带内信号利用效率提供了定量依据。

第三，我们研制了一台覆盖7.2–12.5 μm波段范围的七波段机载多光谱长波红外成像系统。

系统实现了0.5毫弧度（1.4米@2.8千米）的瞬时视场角（IFOV），低于30毫开尔文的净探测率（NETD），以及0.45 K的平均绝对辐射定标残差。实验室测试和野外飞行实验验证了所提方法的有效性。

**方法**

为了解决高空间分辨率成像约束下检测灵敏度不足的问题，我们提出了一种将光谱波段配置与数字域信号增强相结合的多光谱长波红外成像系统级灵敏度增强方法。整体方法论框架如图1所示。

首先，采用主成分分析（PCA）确定所需的光谱波段数量，随后通过有效温度灵敏度函数（ETSF）/最佳温度响应曲线（BTRC）建模来评估系统的温度灵敏度。

**系统概述**

基于所提方法，开发了一套机载七波段长波红外观测系统。系统的主要性能参数见表4。图12展示了探测器在其工作波长范围内的光谱响应特性。

所设计的长波红外光学系统采用重成像配置，将孔径光阑置于冷罩上，以实现100%的冷光阑效率。为了实现飞行过程中的同步辐射定标，采用了一面折叠镜……

**多光谱长波红外成像与全色及高光谱成像的对比**

与全色长波红外成像相比，多光谱长波红外成像将单一宽带辐射测量扩展为具有光谱差异化的物理信息。在全色长波红外图像中，灰度变化主要反映热辐射强度；然而，所测辐射受地表温度、发射率、大气透过率和路径辐射的共同影响，使得单波段热异常难以无歧义地解释。即使辐射被……

**结论**

本研究针对高空间分辨率长波红外观测中检测灵敏度不足的问题，提出了一种灵敏度增强的多光谱长波红外成像方法。通过构建物理约束的光谱波段效用评估模型，并集成焦平面滤光器、光谱维度多行时间延迟积分（TDI）信号增强以及低温光机集成技术，所提方法提升了多光谱长波红外辐射的有效获取能力……

**作者贡献声明**

- 黄伟嘉：撰写——初稿，可视化，调查研究，形式分析，数据整理。
- 吴银：验证，监督，方法论，数据整理。
- 吴仁飞：验证，软件，数据整理。
- 贾建新：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法论，概念构思。
- 尹旭强：方法论，数据整理。
- 段伟波：方法论，数据整理。
- 曲红松：监督，概念构思。
- 王钰明：监督，资源，项目管理。

**资助**

本研究受"十四五"民用空间技术预研项目（D040102）资助。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。

黄伟嘉 | 吴银 | 吴仁飞 | 贾建新 | 尹旭强 | 段伟波 | 曲红松 | 王钰明

中国科学院上海技术物理研究所 上海市光学薄膜与光谱调制重点实验室，上海 200083，中国