廣域精細熱成像技術：解決長波紅外探測領域大幅寬與高分辨成像的難題

天基熱紅外成像技術可以從遙遠的太空中給我們的地球“測溫”。但由于長波熱紅外衍射極限及工程邊界條件的制約，要同時實現廣覆蓋和高分辨率并不容易。目前，美國最先進的陸地資源衛星Landsat 9熱像儀采用長線列推掃成像方式，能夠獲取幅寬185公里、空間分辨率100米的地表熱紅外信息。這意味著我們能夠大致了解地表溫度的變化，但要對溫度變化進行更細致的測量，就需要更高的空間分辨率來捕捉細節，同時也需要更廣的覆蓋以展示整體的變化趨勢。世界范圍內現有的探測系統及成像體制無法完全滿足這樣的需求。另一方面，國外高靈敏紅外探測器對我國長期禁運，新的信息獲取技術要求探測器在百微秒積分時間獲得更高的靈敏度，如何突破高靈敏長波紅外探測器組件技術、開發新的熱紅外信息獲取體制成為我國天基廣域精細熱紅外遙感領域面臨的重要難題。

圖2 擺掃成像體制及多模塊拼接三譜段長線列長波紅外探測器組件

為了實現廣覆蓋和高分辨率成像的應用目標，在中國科學院先導A項目的支持下，中國科學院上海技術物理研究所廣域精細熱成像技術研究團隊開展了為期5年的技術攻關，突破了多項核心技術，打破了國外在該領域對我國的長期封鎖。項目負責人陳凡勝研帶領團隊在低軌廣域熱紅外成像方面進行了創新性發明，針對光學口徑、視場、探測器規模等指標工程實現相互制約，難以同時實現寬覆蓋和高分辨的問題，創建了三譜段熱紅外長線列雙向擺掃的成像體制，提出了通過2048元長線列探測器和高精度一維掃描機構實現截止12.5μm譜段、30米高分辨率和300公里大幅寬三譜段熱紅外數據獲取的總體技術方案，解決了長波熱紅外探測領域大幅寬與高分辨成像的核心技術難題。

面對國外長波紅外探測器對我國嚴格封鎖的現狀，林春、陳溪、陳俊林、王瀚哲等項目核心成員突破了高靈敏、低暗電流探測器杜瓦制冷機組件技術，周晟等攻克了三譜段集成濾光片技術，研制了熱紅外三譜段四級TDI單片集成和長線列一體化組件。

針對熱紅外載荷受儀器背景噪聲影響大的難題，楊林、李亞然等攻克了大視場全口徑195K深低溫光機技術，實現了三譜段最高達41mK在軌噪聲等效溫差，優于國際同類產品。徐夢娜、李南茜等解決了熱像儀熱控難題，保證了儀器在軌溫度場穩定。張勇、唐玉俊、郝健、蘇曉鋒等解決了熱紅外低噪聲信息獲取難題，突破了一維擺掃機構的高精度測量及控制技術，為在軌33°視場范圍內高精度、高穩定性雙向擺掃成像打下堅實的技術基礎。胡興健、孫小進等完成熱像儀一體化結構設計，在保證支撐強度的同時實現了輕量化及高集成。

針對長線列擺掃熱像儀難以在廣域高分下實現高精度定標的問題，團隊核心成員胡琸悅提出了基于單溫度修正的低頻次高精度輻射定標方法、基于LSTM模型的探測系統穩定性動態監視方法，建立了地面測試評估系統，實現了優于1K的在軌輻射定標精度。針對擺鏡引入導致定位誤差源增多、模型解算困難的問題，項目骨干李瀟雁提出了無K鏡補償的長線列擺掃載荷在軌幾何定位方法，解決了一維擺掃多參數下的高精度定位難題。李麗圓、周曉萱等實現了基于多譜段熱紅外數據的飛機、船舶等人類活動痕跡目標的高精度測量，提高了復雜背景下海空目標的晝夜探測能力。

熱像儀研制過程中，研究團隊堅持貫徹落實習總書記關于“加快建設科技強國，實現高水平科技自立自強”的指示精神，在面對技術挑戰和資源限制時，始終堅守“特別能吃苦、特別能戰斗、特別能奉獻”的航天精神，攻克了一個又一個難關，實現了一個又一個技術突破。

廣域精細熱成像技術成功應用于SDGSAT-1等對地遙感衛星中，解決了人類活動痕跡精細刻畫面臨的數據短缺難題，熱紅外影像展示了 江河湖海、山川丘陵、戈壁荒漠等自然景觀，以及工業排放、港口機場與城市變遷等與人類活動場景?；跓嵯駜x數據在國際上首次實現了30米分辨率的北極冰間水道探測，揭示了以往中分辨率熱紅外無法刻畫的精細冰間水道結構，對探究北極冰間水道的分布和演化過程具有重大意義。廣域精細熱紅外成像技術為全球可持續發展提供了寶貴的數據，推動了我國長波紅外對地遙感領域的跨越式發展，為我國下一代天基廣域精細探測與成像技術發展積累了寶貴的經驗。

瞄準未來，研究團隊將在廣域精細熱成像技術的基礎上繼續深挖，進一步提升我國在該領域的觀測能力，為全球可持續發展目標的監測、評估等后續任務的實施打下堅實的技術基礎。

圖3 三波段熱紅外沙漠圖像（左） 和單波段熱紅外海冰圖像（右）

圖4 熱紅外數據應用于昆士蘭州森林火災監測