美國(guó)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(jí)電子光學(xué)成像系統(tǒng)開發(fā)遠(yuǎn)程光譜儀。

The Solution:
使用NI LabVIEW作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)，使它能夠?qū)Φ孛娴囊箍兆匀还庾V輻射進(jìn)行特性分析。

用于夜空光譜儀的LabVIEW軟件前面板截屏

在美國(guó)陸軍夜視與電子傳感器領(lǐng)導(dǎo)小組（NVESD），我們專門進(jìn)行夜視以及其他傳感器技術(shù)的研究和開發(fā)。

夜空的光譜密度對(duì)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(guān)鍵的，特別是對(duì)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(jí)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?jiān)?、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(nèi)的可用自然光輸入，以及系統(tǒng)相對(duì)于其本底噪聲對(duì)這些低級(jí)別的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)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(duì)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(diǎn)是個(gè)別光源以及衰減機(jī)制會(huì)發(fā)生內(nèi)在變化，另外，相對(duì)于天頂?shù)慕嵌纫矔?huì)影響來自個(gè)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(huì)降低。第一層是對(duì)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(zhǎng)大于2 微米的熱背景輻射的主要來源。對(duì)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(jìn)一步造成了光的散射。在對(duì)流層的上面是平流層，擴(kuò)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(kuò)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(gè)大氣分層都在不同程度上對(duì)可觀測(cè)到的地面夜空輻射起到了一定的貢獻(xiàn)，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(huì)隨著天頂?shù)慕嵌劝l(fā)生變化，其方位角是對(duì)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(dòng)和旋轉(zhuǎn)變換，從而產(chǎn)生了不同波段的能量。這些波段稱為Meinel羥基波段，對(duì)夜空輻射，尤其是高于1 微米波長(zhǎng)的輻射有很大貢獻(xiàn)。在高于2.5 微米波長(zhǎng)，羥基輻射的貢獻(xiàn)更大。但是，與對(duì)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(rèn)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(jìn)行散射得到的，因此相對(duì)于短波紅外而言，其在可見光和近紅外的范圍內(nèi)貢獻(xiàn)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(zhǎng)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(nèi)，帶有兩個(gè)固態(tài)熱電空調(diào)，能夠?qū)?nèi)部溫度保持在22 °C，同時(shí)還可以去除任何多余的濕度。遠(yuǎn)程接入功能可以通過便攜式衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，用于控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)傳輸，從而可以讓NSS在幾個(gè)月內(nèi)，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(chǔ)。內(nèi)部計(jì)算機(jī)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(shù)據(jù)采集板卡，可以與每個(gè)硬件組件進(jìn)行通信。在每次掃描的開始，VI 從衛(wèi)星盤讀取GPS 坐標(biāo)，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(duì)適度等信息插入到數(shù)據(jù)的頭部。VI為每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)器通道、探測(cè)器增益、波長(zhǎng)、濾波器以及光柵。VI 獲取遮光器和探測(cè)器信號(hào)，并且使用定制的鎖定放大器子VI計(jì)算強(qiáng)度。VI 還包括了來自兩個(gè)外部網(wǎng)絡(luò)攝像頭的圖像，從探測(cè)器讀取溫度，控制外部發(fā)光二極管指示，甚至還可以將數(shù)據(jù)集作為電子郵件發(fā)送。

NI 軟件和硬件使用兩個(gè)GPIB 設(shè)備地址、16 個(gè)模擬輸入通道、兩個(gè)模擬輸出通道和八個(gè)數(shù)字輸入/ 輸出通道進(jìn)行通信，他們可以使用PCI-6036E 的任何一個(gè)可用通道。VI 包括三種模式：掃描模式、噪聲測(cè)量模式以及實(shí)驗(yàn)室重標(biāo)定模式。