基于紅外探測器焦平面成像的白天測星技術(shù)研究

張 耿，張 超，李崇輝，米科峰，詹銀虎

(1.信息工程大學(xué), 鄭州 450001；2.61363部隊，西安 710054)

天文導(dǎo)航是一種以可觀測星體為基礎(chǔ)的自主導(dǎo)航手段。通過精密光學(xué)傳感器，測量星體相對于參考基準(zhǔn)點的高度與方位角，再根據(jù)精密星歷獲取星體的運動規(guī)律與精確坐標(biāo)位置，解算出參考基準(zhǔn)點的經(jīng)緯度以及姿態(tài)航向，從而實現(xiàn)天文導(dǎo)航[1-2]。

目前，可見光CCD的天文導(dǎo)航技術(shù)已趨于成熟，基于現(xiàn)有的儀器設(shè)備很難再有突破性的提升，研究的方向更多是朝著智能化、自動化、快速化發(fā)展。而另一方面，隨著短波紅外探測器技術(shù)的迅猛發(fā)展，通過短波紅外探測器進行全天時天文定位定向的導(dǎo)航系統(tǒng)，將成為海基和陸基天文導(dǎo)航未來發(fā)展的重要方向。傳統(tǒng)的天文導(dǎo)航以可見光波段傳感器CCD作為白天測星采集星光的儀器，然而可見光波段的傳感器受到白天強烈的太陽光照、云層吸收、散射等因素干擾后，會嚴(yán)重影響成像質(zhì)量，無法實現(xiàn)全天時天文導(dǎo)航[3]。而在短波紅外波段，其天空輻射要遠遠低于可見光波段，薄云、煙、霧霾等對恒星星光的衰減也弱于可見光波段[4-6]。因此，短波紅外設(shè)備對比可見光CCD在白天測星具有無可比擬的優(yōu)勢。

目前，常規(guī)的可見光CCD白天測星技術(shù)是利用長焦距大口徑的光學(xué)儀器與CCD組合進行觀測[7-8]。但是CCD在白天強光環(huán)境下工作會產(chǎn)生“過飽和”現(xiàn)象，且大口徑長焦距的鏡頭成本高、體積大，不便于攜帶，因此，傳統(tǒng)上有3種改善白天測星技術(shù)的方法[4]：①通過單鏡頭雙CCD設(shè)計或降低CCD積分時間等方法消除CCD在強天空背景輻射下產(chǎn)生的畫面“過飽和”現(xiàn)象；②改用特殊的光學(xué)鏡片直接降低進入鏡頭的全部光強度;③通過使用電子倍增CCD或背照式CCD等高靈敏度特殊電荷耦合器件，直接增強觀星的靈敏度[9]。工藝水平受限，上述3種方法均存在需改進的地方，并不能完好地解決可見光CCD白天測星成像的問題。比如在方法一中，“過飽和”現(xiàn)象產(chǎn)生時輸出端的信號置換不能保證校正CCD與標(biāo)準(zhǔn)CCD數(shù)據(jù)邊沿的較好銜接，在最終處理時可能會出現(xiàn)圖像斷層現(xiàn)象[10]。而在國外，美國Microcosm公司于2006年研發(fā)的型號為DayStar的紅外天文導(dǎo)航裝備，在正午海上的測星能力已經(jīng)達到+7.1星等[4,11]，關(guān)于紅外天文導(dǎo)航的研究則處于起步階段，理論研究居多，相關(guān)設(shè)備的實測試驗較少。

文中通過對短波紅外傳感器的測星特點進行分析，配置原理樣機并進行試驗，采用高性能短波紅外波段InGaAs焦平面探測器，在短波紅外波段觀測星體進行白天測星。實驗結(jié)果表明，此樣機可以在清晨或黃昏等太陽輻射較弱的白天成功觀測到可見光波段以外的恒星，并且短波紅外波段大量的可觀測恒星，對于提高測星的靈敏度與動態(tài)范圍以及實現(xiàn)全天時天文導(dǎo)航具有一定的實際應(yīng)用價值和參考意義。

1 短波紅外對比可見光儀器測星的技術(shù)優(yōu)勢

在光學(xué)中，將0.9～2.5 μm區(qū)間的電磁波命名為短波紅外波段，將短波紅外波段劃分為J(1.24 μm)，H(1.66 μm)，Ks(2.16 μm)3個波段。圖1顯示了J，H，K 3個紅外窗口在電磁波輻射中的具體波段位置。

圖1 光譜波段示意圖(μm)

1.1 大氣傳輸與天空背景輻射

大氣輻射和太陽輻射是白天天空背景輻射的主要組成部分。在文獻[3]的相關(guān)研究中表明，短波紅外波段的白天天空背景輻射中，太陽輻射占絕大部分，而且其功率遠低于可見光波段的輻射。而在大氣輻射上，可見光輻射的大氣透過率比短波紅外波段低約20%～30%；另一方面，霧、霾、云層等大氣遮擋物對可見光輻射的衰減比相對于短波紅外波段的更高[3]。

由此可以得出，短波紅外波段大氣散射少，星圖信噪比高，比可見光波段更適合白天測星。

1.2 探測器滿勢阱能力

無論是可見光波段CCD傳感器還是短波紅外波段InGaAs傳感器，其內(nèi)部像元的勢阱都是有電荷存儲上限的，所以一旦感光層接受的光照強度超出限制范圍，電荷將勢阱充滿，即會出現(xiàn)電荷“溢出”現(xiàn)象。而InGaAs焦平面探測器作為短波紅外傳感器，其每個像元所能儲存的電荷數(shù)量遠大于可見光波段CCD傳感器，一般CCD的滿勢阱電荷數(shù)量在10～100 k之間，而一般短波紅外傳感器的滿勢阱電荷數(shù)量能達到1 M以上[12]。目前，日本濱松公司的紅外探測器勢阱已經(jīng)達到5Me-，美國賓夕法尼亞州費城的Judson公司的J22和J23系列InGaAs紅外探測器的勢阱超過9Me-[13]。

短波紅外波段傳感器更大的滿勢阱電荷儲存量可以充分提高積分時間與系統(tǒng)的探測孔徑，削弱電荷飽和現(xiàn)象，從而獲得充足的白天測星信噪比。而可見光CCD傳感器較小的滿勢阱電荷儲存量限制了光學(xué)系統(tǒng)的口徑及曝光量，導(dǎo)致系統(tǒng)整體測星信噪比、測星極限以及測星頻率均弱于InGaAs短波紅外探測器。

1.3 可觀測星體數(shù)量

根據(jù)國外實驗表明，白天在海上通過不同短波紅外波段的傳感器可觀測到的最暗星等為：H波段+6.4星等、Ks波段+5.8星等[14]。分析2MASS星表提供的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計J，H，Ks波段可觀測的小于+6星等的恒星數(shù)量。結(jié)果如表1所示。

表1 可見光及短波紅外星體數(shù)量統(tǒng)計

從表1中得出以下結(jié)論：在一個水平的亮度級別上進行比較，短波紅外波段的星體數(shù)量遠大于可見光波段。所以從測星概率來講，短波紅外波段同樣遠大于可見光波段。另外根據(jù)數(shù)據(jù)分析，K波段在白天可以選擇的參考基準(zhǔn)星體最多，H，J波段其次，可見光波段最少。

2 紅外天文導(dǎo)航設(shè)備選型配置

系統(tǒng)樣機的選型調(diào)試流程如圖2所示。其中，傳感器選型和紅外鏡頭選型為最關(guān)鍵的部分。

圖2 短波紅外天文導(dǎo)航系統(tǒng)選型調(diào)試路線

2.1 傳感器選型

當(dāng)前，科學(xué)家們觀測紅外線的手段分為兩種，一種是通過紅外線的熱效應(yīng)以及被觀測物體產(chǎn)生的紅外熱輻射進行觀測的紅外熱感探測器；另外一種則是利用儀器探測物體自身的電子吸收紅外光線后產(chǎn)生的逸出光電子，即紅外光子型探測器。紅外熱探測器的優(yōu)點在于其紅外波長有較寬的響應(yīng)范圍，即使是微小的改變也能被紅外熱探測器所觀測，其缺點在于如果待觀測材料的熱敏感性較差，其探測速率就會有比較明顯地降低。而紅外光子型探測器通過紅外光照射物體產(chǎn)生的光電效應(yīng)進行觀測。利用光電效應(yīng)進行觀測的優(yōu)點在于其響應(yīng)速度非?？?，一般在感應(yīng)到紅外輻射的幾秒之內(nèi)就可以完成光電效應(yīng)，尤其是以半導(dǎo)體為主要材料的紅外光子型探測器，其光電效應(yīng)的產(chǎn)生幾乎在于感應(yīng)紅外輻射的一瞬間，大部分的紅外光子型探測器也都是使用以半導(dǎo)體材料為主。不過紅外光子型探測器也有其明顯的缺點，較快的響應(yīng)速度帶來的問題是其紅外波長的響應(yīng)范圍比較窄，大部分半導(dǎo)體只對極小波長范圍內(nèi)的紅外光波產(chǎn)生響應(yīng)[15]。表2列出了兩種紅外探測手段的優(yōu)劣對比。

表2 不同紅外觀測手段的優(yōu)劣對比

在實際應(yīng)用中，紅外熱探測器受限于熱量流失，由于存在只能定性無法定量的問題，從而逐漸被淘汰出高精探測需求市場。而紅外光子型探測器的靈敏度隨著工藝科技的發(fā)展不斷提高，其從單元式結(jié)構(gòu)發(fā)展為多元式結(jié)構(gòu)，單色型材料發(fā)展為多色型材料，從線列發(fā)展為面陣，同時科技水平的提高使得對高精度高準(zhǔn)確度的紅外探測器需求也越來越大[15]。

常用于制作紅外光子型探測器的材料包括HgCdTe、InGaAs、PtSi等。目前，市場上已經(jīng)形成了以HgCdTe和InGaAs為主，GaSb、PtSi等其他材料為輔的格局。表3給出了HgCdTe和InGaAs兩種主流材料制造的紅外探測器特性對比[16-19]。

表3 不同材料制造的短波紅外焦平面探測器對比

由表3可知，HgCdTe材料的紅外探測器需要在低溫環(huán)境下工作，而且其在暗電流和非均勻性方面有所不足[20]。InGaAs材料的紅外探測器，具有穩(wěn)定性好、探測率高、均勻性好等特點，而其可在常溫下工作的特點更符合野外天文導(dǎo)航定位作業(yè)的工作環(huán)境。因此，對于晝夜短波紅外天文導(dǎo)航來說，InGaAs材料的紅外傳感器是一個比較合適的選擇。

本文最終選取了某型號InGaAs材料短波紅外相機作為系統(tǒng)樣機的傳感器，其部分技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 傳感器部分參數(shù)

2.2 鏡頭選型

文中選取了國產(chǎn)的TKL50和美國Navitar公司的兩款鏡頭作為系統(tǒng)樣機的鏡頭。

TKL50是專為短波紅外波段(0.9～1.7 μm)設(shè)計的鏡頭，可匹配1″的大型探測器。光圈采用多葉片設(shè)計，可提高光圈調(diào)節(jié)精度和入射光均勻性，鏡片表面鍍0.8～1.8 μm的多層增透(AR)鍍膜，透過率高，結(jié)構(gòu)滿足高抗震環(huán)境，適用于檢測、分類及質(zhì)量控制等多種短波紅外成像應(yīng)用，是用于短波紅外成像的一種緊湊、輕巧的鏡頭。

Navitar公司是美國海軍定制鏡頭供應(yīng)商。文中采用的是其生產(chǎn)的OptiStar SWIR Lenses 1-19180型號鏡頭，在0.5～1.7 μm短波紅外光透過率高達95%，鏡頭性能優(yōu)異，成像效果極佳。

表5給出兩款鏡頭的一些參數(shù)對比。

表5 鏡頭參數(shù)對比

2.3 設(shè)備配置

根據(jù)2.1和2.2節(jié)確定的傳感器和鏡頭型號，利用Uart線將傳感器的GigE Vision接口與便攜式筆記本電腦USB接口連接，用三腳架固定傳感器，通過電腦端的控制軟件對傳感器進行拍照、錄像、計時等操作。

3 實驗與分析

3.1 夜間試驗

實驗器材：某型號短波紅外傳感器、Leica TS60全站儀、TKL 50鏡頭、無濾波片；

拍攝時間：2020-08-02T21:00—22:00;

地點：河南鄭州某大學(xué)實驗樓樓頂;

環(huán)境條件：實驗時天氣情況良好，天空無云層，短波紅外相機設(shè)置為高增益模式、4 ms積分時間，無濾波片。

試驗結(jié)果：使用Leica TS60全站儀在整個南天區(qū)只有2顆較亮星體可見，而通過紅外相機在南天區(qū)可以看到數(shù)之不盡的肉眼無法看到的紅外波段的恒星。部分拍攝星圖如圖3所示。

圖3 可見光與短波紅外夜間對比星圖

分析結(jié)論：本次實驗采用Leica TS60全站儀和某型號紅外相機在同一時段對同一天區(qū)進行觀測。試驗表明，紅外相機相比于Leica TS60全站儀，能夠觀測到許多肉眼無法觀測到的星體，且紅外波段的恒星數(shù)量遠遠大于可見光波段的恒星數(shù)量。這對于解決天文導(dǎo)航“無星可測”問題，保證測量數(shù)據(jù)連續(xù)性，增加多余觀測量，提高天文導(dǎo)航定位定向精度，具有實際的應(yīng)用價值。

3.2 黃昏試驗

實驗器材：某型號短波紅外傳感器、TKL 50鏡頭、Navitar鏡頭、無濾波片；

拍攝時間：2020-06-13T17：00—21：00；

地點：河南鄭州某大學(xué)實驗樓樓頂；

環(huán)境條件：天氣氣象為多云， 17：00—18：30使用Navitar鏡頭進行實驗,18：30之后使用TKL 50鏡頭進行實驗。

試驗結(jié)果：

2020-06-13T17：00—17：30天空背景較亮，太陽還沒有完全落下，無法拍攝到清晰的星體圖片。

2020-06-13T17：30—18：30太陽已經(jīng)落下，但天空還未變黑。通過對相機的增益、曝光時間以及幀疊加等進行調(diào)節(jié)可以在視場內(nèi)觀測到1～3顆較亮星體。

2020-06-13T18:30—21:00隨著天空逐漸變黑，可以觀測到的星體也逐漸變多，到20:10左右，已經(jīng)可以觀測到3～8顆星體。

通過對兩個鏡頭成像圖片實驗對比顯示，TKL 50鏡頭拍攝的星圖噪聲明顯要比Navitar鏡頭要多，TKL 50鏡頭成像總體效果略差于Navitar鏡頭。部分拍攝星圖如圖4所示。

分析結(jié)論：黃昏時分天還未黑時，在無濾波片條件下通過短波紅外傳感器可觀測到1～3顆星體，驗證了短波紅外傳感器白天測星的可能性。天黑后通過短波紅外相機可觀測到10顆較亮星體且觀測到的5顆較亮星體均是肉眼不可見的，再一次表明了短波紅外波段探測器能觀測到可見光波段無法觀測到的星體。

3.3 清晨試驗

實驗器材：某型號短波紅外傳感器、Navitar鏡頭、無濾波片;

拍攝時間：2020-06-15T8:00—10:30;

地點：河南鄭州某大學(xué)實驗樓樓頂;

環(huán)境條件：天氣氣象情況為晴天有少量云，日照強烈，設(shè)置為低增益模式、2 ms積分時間。

試驗結(jié)果：

2020-06-15T8:00—8:30太陽光照還不是特別強烈，此時通過對相機的增益、曝光時間以及幀疊加等進行調(diào)節(jié)，可以在視場內(nèi)觀測到兩顆肉眼無法觀測到的恒星。

2020-06-15T9:00—10:30此時太陽已經(jīng)升至上空，日照輻射強烈，在視場內(nèi)無法觀測到恒星。部分拍攝星圖如圖5所示。

圖4 夜間試驗拍攝星圖

圖5 白天試驗拍攝星圖

分析結(jié)論：在無濾波片的情況下，清晨太陽還未完全升至上空時，日照不強烈，此時可以通過短波紅外相機觀測到可見光波段以外的恒星。而當(dāng)太陽光照越來越強時，恒星輻射逐漸淹埋在強烈的日照輻射中，無法觀測。

3.4 實驗結(jié)論

通過夜間試驗表明，相比傳統(tǒng)可見光天文導(dǎo)航，短波紅外天文導(dǎo)航具有其無法比擬的優(yōu)勢。特別是在可觀測恒星數(shù)量上，短波紅外波段的可觀測恒星數(shù)量比可見光波段高出1～2個數(shù)量級。這對于解決天文導(dǎo)航“無星可測”問題，保證測量數(shù)據(jù)連續(xù)性，增加多余觀測量，提高天文導(dǎo)航定位定向精度，具有實際的應(yīng)用價值。

黃昏和清晨試驗表明，短波紅外相機在太陽光照較弱的清晨或黃昏等時段，可以觀測到可見光波段以外的短波紅外波段的恒星。而當(dāng)太陽光照較強時，背景光導(dǎo)致傳感器過度曝光，使得系統(tǒng)無法在晴朗白天強烈太陽光照背景下進行白天測星。全天時自主天文導(dǎo)航是未來天文導(dǎo)航發(fā)展的重要方向，本次實驗初步說明利用短波紅外相機實現(xiàn)白天測星的可能性，但還存在無法克服強天光背景輻射的問題。

4 結(jié)束語

文中基于短波紅外波段天文導(dǎo)航的測星特點，分析目前不同的短波紅外傳感器，并結(jié)合晝夜全天時天文導(dǎo)航的觀測條件，研究并配置短波紅外天文導(dǎo)航系統(tǒng)樣機。通過實驗，初步了解天文導(dǎo)航白天測星的可能性，對于全天時自主天文導(dǎo)航的發(fā)展具有一定的參考意義。然而在實驗過程中，天空背景較亮?xí)r，背景光導(dǎo)致傳感器過度曝光，使得系統(tǒng)無法在晴朗白天強烈太陽光照背景下進行白天測星。下一步研究方向考慮通過給鏡頭添加濾光片、遮光罩、消光柵等措施，來減弱背景光的影響，從而提高系統(tǒng)白天測星的抗干擾能力。