不同模式气体的航空热高光谱成像

气云监测通常涉及环境监测和气体泄漏调查。由于与在露天条件下自由扩散的气体云相关的动态不可预测，基于地面的特性是不可行的。传统的气体取样技术由于需要将样品带至实验室，存在取样困难和繁琐的问题。尽管原位气体浓度测量能产生精确而敏感的实时结果，但其单点结果很难与弥散的气体云等动态实体相关联。此外，在进行爆炸性气体泄漏调查时，安全性也是一个值得关注的问题。

宽带红外成像从安全距离获取时空数据，但缺乏气体云的定量数据和选择性问题。地基热红外高光谱成像涉及傅里叶变换光谱(FTS)，可获得选择性和定量数据，并成功地用于多个现场项目，涉及远程气体释放检测、测定和定量。同样的技术现在也应用于机载传感器，除了大面积覆盖外，还可以为气体和固体检测提供选择性和定量的数据。热红外高光谱传感器的最新进展允许使用两种不同的获取模式进行FTS成像:测绘和瞄准。本文演示了机载高光谱傅里叶变换成像传感器获取独特动态气体云弥散数据的能力。

插播Hyper-Cam

的插播Hyper-Cam是一种使用傅立叶变换红外(FTIR)技术的紧凑的高光谱成像设备。该轻型仪器具有独特的光谱、空间和时间分辨率组合，提供了感兴趣的物质的全面表征。Hyper-Cam配备了焦平面阵列(FPA)探测器，由320x256像素组成，基本的6.4°x5.1°视场(FOV)。光谱分辨率用户可选择高达0.25厘米^－1在3.0 ~ 5.0 μ m和7.7 ~ 11.8 μ m范围内，分别为Hyper-Cam的MW(中波)和LW(长波)。

的Telops Hyper-Cam机载平台有助于扩展地面Telops Hyper-Cam用于机载应用的能力(图1)。它具有一个惯性运动单元(IMU)和全球定位系统(GPS)，用于跟踪和地理参考飞机在飞行中的动作。基于采集参数，FTS成像中单个数据库的数据采集时间可达几秒。因此，机载模块具有像移补偿(IMC)镜，使用GPS/IMU数据来抵消机载数据采集期间的飞机运动。在记录过程中，视角变化一般在2°以下。所有数据都包含了正畸和拼接的重要信息。在红外数据采集的同时，采用高分辨率方位相机记录可见图像。使用Telops开发的辐射传输模型进行化学成像。

图1所示。Telops Hyper-Cam机载平台

实验的程序

所有机载测量均使用Hyper-Cam LW传感器进行。使用广角望远镜(0.25x, FOV为25.6°x20.4°)对垃圾焚烧炉进行测量。测绘采集模式用于在垃圾焚烧炉上以4cm的光谱分辨率进行测量^－1(即135个波段)，海拔2130米，地面像素大小为9米²/像素。采用目标捕获模式进行光谱分辨率为8 cm的测量^－1(即68个波段)，海拔915米，地面像素大小为1.65米²/像素。地面相对湿度49%，环境温度11℃。

乙烯气体释放的空气测量是使用目标采集模式在光谱分辨率为6厘米^－1(即90个波段)，海拔685米，地面像素大小为0.057米²/像素。地面相对湿度为37%，环境温度为21℃。加压气缸以大约20L/min的恒定流量释放纯乙烯气体。用于机载高光谱成像的两种采集模式如图2所示。测绘采集模式包括当飞机飞越其感兴趣区域(AOI)时对单个图像或数据立方体进行连续记录。目标捕获模式是使用IMC反射镜组件连续记录同一AOI的高光谱数据立方体。

图2。Telops Hyper-Cam机载平台的测绘(左)和定位(右)高光谱成像采集模式。

实验结果

机载FTS成像

得益于FTS红外技术，Telops Hyper-Cam机载平台能够以相对较高的光谱分辨率获取数据，对远程探测和确定具有更高的选择性。高光谱分辨率也有助于航空图像分析，因为常见的信号处理算法(如温度-发射率分离和大气校正)依赖于臭氧和水蒸气贡献的精确补偿。图3显示了使用Telops Hyper-Cam机载平台获得的典型结果，说明了机载测量中感兴趣的目标的不规则性。红色曲线为晴空的热红外光谱，蓝色曲线为气体相关像素对应的红外光谱，绿色曲线为混凝土道路相关像素对应的红外光谱。

图3。Telops机载平台记录的热红外高光谱数据集(右上)及其对应的可见光图像(右下)。

利用测绘和瞄准模式的航空测量

图4说明了使用映射获取模式从一个由正在运行的垃圾焚烧炉组成的区域获取单个数据库。为了从单个采集中生成适当的高光谱图，需要在每个采集中包含相邻地面区域的足够重叠。图4还描绘了通过正射校正和个别采集的拼接获得的整个AOI的高光谱图，演示了执行拼接程序生成整个AOI的单个数据集的设施。

图4。使用地图采集模式从一个包含正在运行的垃圾焚化炉的区域进行单独机载FTS红外采集(左)。

图5说明了高光谱机载传感器提供时间相关信息的能力。在这种情况下，目标捕获模式用于在相同的AOI上执行机载测量，总共记录了6个连续的高光谱数据立方体。红色的云代表着从主烟囱释放出来的气体。通过对不同图像的比较，可以推断气体云的源点。

图5。使用机载FTS红外目标捕获模式连续机载获取一个运行中的垃圾焚烧炉。

乙烯气体释放的空气测量

在本实验中，在目标区域的航空测量前和测量过程中释放乙烯气体。图6为实验过程中获取的可见光图像和目标区域对应的红外图像，红外冷活性气体(以β标记)与背景沥青路面(以α标记)没有对比差异。当对整体信号进行平均时，乙烯的尖锐和高度局域化的红外光谱特征的贡献很小，这可以证明这一点。气体释放点(β)和背景沥青路面(α)的红外光谱与相关参考吸收光谱在亮温标上如图7所示。

图6。气体释放区机载可见光图像(左)和目标感兴趣区域的红外宽带图像(右)。

图7。位于气体云和背景区域的代表性像素的长波红外光谱(上)，乙烯和水蒸气的相关参考吸收光谱(下)。

图8展示了在AOI上连续捕获的两次定量化学成像的结果。通过对自由弥散的气体云进行连续的空中测量，可以很容易地高精度定位气体泄漏的始发点。图8所示的两种化学图的差异分析有助于估计速度，并确定气体云的方向。

图8。采用高光谱目标捕获模式对乙烯气体云进行了两次连续测量，并进行了定量机载化学成像。

结论

由于机载红外FTS高光谱成像具有高光谱分辨率的选择性，可以获得高精度的气体云定量化学成像。Telops Hyper-Cam机载系统提供了有意义的、随时间变化的信息来描述气体云的弥散，包括气体泄漏的来源、气体云的速度和方向。该结果与预期结果吻合较好，表明了机载热红外高光谱成像在气体云弥散特性表征方面的优势。

关于插播

Telops公司位于魁北克市，是一家为国防、工业、环境和研究行业提供高光谱成像系统和高性能红外摄像机的领先供应商。Telops还提供光学系统技术开发的研发服务，以满足客户的特殊需求。

自2000年成立以来，Telops凭借其技术人员的素质和在光学领域应对许多技术挑战的创新方法而脱颖而出。今天，Telops的科学家、工程师和技术人员在光学技术方面的专业知识，以及其红外相机和高光谱成像仪的性能得到了国际认可。

Telops总部位于加拿大，通过高效的分销和代理网络来满足国际市场的需求。

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这些信息已从Telops提供的材料中获取、审查和改编。欧洲杯足球竞彩

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