NASA开发的创新型红外传感器提高了地球和空间成像的分辨率

戈达德工程师 Murzy Jhabvala 拿着他的紧凑型热成像仪技术的核心部件--一种高分辨率、高光谱范围的红外传感器，适用于小型卫星和前往其他太阳系天体的任务。资料来源：美国国家航空航天局

这些相机配备了高灵敏度、高分辨率的应变层超格传感器，这些传感器最初是由美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心开发的，由内部研究与开发（IRAD）计划资助。

由于设计紧凑、重量轻、用途广，Tilak Hewagama 等工程师可以根据不同的科学应用对它们进行定制。

增强的传感器功能

Hewagama 说："将滤光片直接连接到探测器上，消除了传统镜头和滤光片系统的巨大质量。这使得低质量的仪器拥有了一个紧凑的焦平面，现在可以使用更小、更高效的冷却器进行红外探测。小型卫星和任务可以从其分辨率和精确度中获益。"

工程师 Murzy Jhabvala 在马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心领导了最初的传感器开发工作，并领导了今天的滤波器集成工作。

Jhabvala 还领导了国际空间站上的"紧凑型热成像仪"实验，该实验展示了新传感器技术如何在太空中生存，同时也证明了其在地球科学领域的重大成功。通过两个红外波段捕捉到的1500多万张图像为发明者贾巴拉、NASA戈达德同事唐-詹宁斯（Don Jennings）和康普顿-塔克（Compton Tucker）赢得了2021年年度发明奖。

2019 年和 2020 年，紧凑型热成像仪在国际空间站上捕捉到了澳大利亚异常严重的火灾。凭借其高分辨率，它探测到了火锋的形状和位置，以及火锋距离居民区有多远--这些信息对急救人员至关重要。资料来源：美国国家航空航天局

地球和空间观测的突破

这次试验获得的数据提供了有关野火的详细信息，让人们更好地了解了地球云层和大气层的垂直结构，并捕捉到了由地球陆地特征引起的上升气流，这种上升气流被称为重力波。

这种突破性的红外传感器利用层层重复的分子结构与单个光子（或光的单位）相互作用。这种传感器能以更高的分辨率分辨更多波长的红外线：从轨道上看，每个像素的分辨率为 260 英尺（80 米），而目前的热像仪的分辨率为 1000 至 3000 英尺（375 至 1000 米）。

这些热量测量相机的成功吸引了美国国家航空航天局地球科学技术办公室（ESTO）、小企业创新与研究以及其他计划的投资，以进一步扩大其覆盖范围和应用。

Jhabvala和NASA的先进陆地成像热红外传感器（ALTIRS）团队正在为今年的激光雷达、高光谱和热成像仪（G-LiHT）机载项目开发六波段版本。他说，这种首创的相机将测量地表热量，并能以高帧频进行污染监测和火灾观测。

新一代火灾成像技术

美国国家航空航天局戈达德地球科学家道格-莫顿（Doug Morton）领导了一个 ESTO 项目，开发用于野火探测和预测的紧凑型火灾成像仪。

莫顿说："我们不会看到更少的火灾，因此我们正试图了解火灾在其生命周期中是如何释放能量的。这将帮助我们更好地理解在一个越来越易燃的世界中火灾的新特性。"

CFI 将同时监测释放更多温室气体的最热火灾和产生更多一氧化碳以及烟雾和灰烬等空气传播颗粒的较冷、燃烧的煤炭和灰烬。

莫顿说："在安全和了解燃烧释放的温室气体方面，这些都是关键因素。"

莫顿的团队设想，在对火情成像仪进行机载测试后，他们将装备一个由 10 颗小型卫星组成的舰队，每天提供更多的火情图像，从而提供全球火情信息。

他说，结合下一代计算机模型，"这些信息可以帮助森林服务和其他消防机构预防火灾，提高前线消防员的安全，保护火灾路径上居民的生命和财产安全"。

探测地球内外的云层

美国国家航空航天局戈达德地球科学家吴栋说，该传感器装有偏振滤光片，可以测量地球高层大气云层中的冰颗粒是如何散射和偏振光的。

吴说，这一应用将补充美国国家航空航天局的浮游生物、气溶胶、云层和海洋生态系统（PACE）任务，该任务在上个月早些时候揭示了其首批光图像。两者都测量光波的偏振方向与红外光谱不同部分的传播方向的关系。

他解释说："PACE偏振计监测可见光和短波红外光。这项任务将重点关注白天观测到的气溶胶和海洋颜色科学。在中波和长波红外波段，新的红外偏振计将从白天和夜间观测中捕捉云层和表面特性。"

在另一项工作中，Hewagama 正在与 Jhabvala 和 Jennings 合作，加入线性可变滤光片，以提供红外光谱中更多的细节。这些滤光片可以显示大气分子的旋转和振动以及地球表面的成分。

行星科学家卡莉-安德森（Carrie Anderson）说，这项技术也能让前往岩质行星、彗星和小行星的任务受益匪浅。她说，他们可以识别土星卫星恩克拉多斯（Enceladus）巨大羽流中释放出的冰和挥发性化合物。

"它们本质上是冰的喷泉，"她说，"当然是冷的，但发出的光在新红外传感器的探测范围之内。在太阳的背景下观察这些羽流，可以让我们非常清楚地识别它们的成分和垂直分布。"

编译来源：ScitechDaily