美國陸軍使用LabVIEW開發(fā)下一代夜空光譜儀

Author(s):
Roy Littleton - United States Army RDECOM CERDEC, Night Vision and Electrical Sensors Directorate

Industry:
Machine Vision/Imaging, Government/Defense

Products:
PXI/CompactPCI, Data Acquisition, LabVIEW

The Challenge:
為下一代輕量級電子光學成像系統(tǒng)開發(fā)遠程光譜儀。

The Solution:
使用NI LabVIEW作為系統(tǒng)的基礎，使它能夠對地面的夜空自然光譜輻射進行特性分析。

用于夜空光譜儀的LabVIEW軟件前面板截屏

在美國陸軍夜視與電子傳感器領導小組（NVESD），我們專門進行夜視以及其他傳感器技術的研究和開發(fā)。

夜空的光譜密度對于夜間無源成像系統(tǒng)的開發(fā)、特性獲取以及發(fā)布是十分關鍵的，特別是對于可見光（0.4 至0.7μm）、近紅外光（0.7 至1.1μm）以及短波紅外光（1.1 至2.5μm）頻譜。典型的無源低光亮等級的成像傳感器通常在將信噪比限制在給定的夜空照明條件下，通常包括殘月、無云的星空直至多云的星空等。

限制大部分系統(tǒng)性能的因素是較低的在系統(tǒng)工作頻帶范圍之內的可用自然光輸入，以及系統(tǒng)相對于其本底噪聲對這些低級別的信號進行轉換的能力。夜空輻射的主要自然源包括月光、氣輝（或夜氣輝）、對流層熱輻射和來自星星以及黃道的直射或散射光線。大氣衰減源包括吸收、散射以及折射。

在任何情況下，確定夜空光譜輻射的難點是個別光源以及衰減機制會發(fā)生內在變化，另外，相對于天頂的角度也會影響來自個別夜空光源的輻射。

夜空輻射
大氣層被劃分成六層，其中包括多種氣體和粒子，隨著海拔的上升，溫度和氣壓都會降低。第一層是對流層，從地面開始直至空中11 千米，包含了最主要的衰減因素，其中包括水、二氧化碳、云、霧和氣溶膠。這一層是波長大于2 微米的熱背景輻射的主要來源。對流層是所有大氣分層中氣壓最高的，因此包含了密度最高的粒子，從而進一步造成了光的散射。在對流層的上面是平流層，擴展到大約50 千米的空中。平流層含有O3（臭氧），能夠吸收大量紫外輻射。在上面兩層分別是中間層和電離層，分別擴展到90 千米和300 千米的空中，OH 氣輝發(fā)射在這兩層之間發(fā)生，是夜空輻射的重要部分。在電離層之外是熱成層和外大氣層。

六個大氣分層都在不同程度上對可觀測到的地面夜空輻射起到了一定的貢獻，這些輻射包括氣輝、星光以及來自宇宙的宇宙輻射。氣輝主要是由羥離子（OH）輻射組成的，并且會隨著天頂的角度發(fā)生變化，其方位角是對成的。這些發(fā)生是由于在70至110 千米的緯度，出現(xiàn)OH離子的振動和旋轉變換，從而產生了不同波段的能量。這些波段稱為Meinel羥基波段，對夜空輻射，尤其是高于1 微米波長的輻射有很大貢獻。在高于2.5 微米波長，羥基輻射的貢獻更大。但是，與對流層的地面熱輻射相比，這些輻射就顯得微不足道了。

從恒星，主要是銀河系的恒星發(fā)射出來的直接輻射和散射輻射被認為是各向異性的穿越天空的。宇宙輻射或是黃道光線是陽光通過星際塵埃進行散射得到的，因此相對于短波紅外而言，其在可見光和近紅外的范圍內貢獻更大。

夜空光譜儀
夜空光譜儀或是NSS 系統(tǒng)使用光柵光譜儀的散射反射面板來收集從400 至2000 nm 波長的光譜，其有效分辨率 25 nm，分辨率約為10-9 W/cm2/μm。系統(tǒng)安裝在環(huán)境控制的箱體內，帶有兩個固態(tài)熱電空調，能夠將內部溫度保持在22 °C，同時還可以去除任何多余的濕度。遠程接入功能可以通過便攜式衛(wèi)星系統(tǒng)實現(xiàn)，用于控制系統(tǒng)以及數據傳輸，從而可以讓NSS在幾個月內，無人值守地收集連續(xù)光譜掃描。

我們開發(fā)了定制的LabVIEW 虛擬儀器，作為NSS 系統(tǒng)的基礎。內部計算機包含兩塊PCI板卡；一塊是NI PCI-GPIB 板卡以及一塊NI PCI-6036E 多功能數據采集板卡，可以與每個硬件組件進行通信。在每次掃描的開始，VI 從衛(wèi)星盤讀取GPS 坐標，從最近的NOAA天氣工作站獲取最新的天氣狀況，并且將系統(tǒng)自身傳感器獲得的溫度和相對適度等信息插入到數據的頭部。VI為每個數據點選擇適當的探測器通道、探測器增益、波長、濾波器以及光柵。VI 獲取遮光器和探測器信號，并且使用定制的鎖定放大器子VI計算強度。VI 還包括了來自兩個外部網絡攝像頭的圖像，從探測器讀取溫度，控制外部發(fā)光二極管指示，甚至還可以將數據集作為電子郵件發(fā)送。

NI 軟件和硬件使用兩個GPIB 設備地址、16 個模擬輸入通道、兩個模擬輸出通道和八個數字輸入/ 輸出通道進行通信，他們可以使用PCI-6036E 的任何一個可用通道。VI 包括三種模式：掃描模式、噪聲測量模式以及實驗室重標定模式。