基于红外探测器焦平面成像的白天测星技术研究

张 耿，张 超，李崇辉，米科峰，詹银虎

(1.信息工程大学, 郑州 450001；2.61363部队，西安 710054)

天文导航是一种以可观测星体为基础的自主导航手段。通过精密光学传感器，测量星体相对于参考基准点的高度与方位角，再根据精密星历获取星体的运动规律与精确坐标位置，解算出参考基准点的经纬度以及姿态航向，从而实现天文导航[1-2]。

目前，可见光CCD的天文导航技术已趋于成熟，基于现有的仪器设备很难再有突破性的提升，研究的方向更多是朝着智能化、自动化、快速化发展。而另一方面，随着短波红外探测器技术的迅猛发展，通过短波红外探测器进行全天时天文定位定向的导航系统，将成为海基和陆基天文导航未来发展的重要方向。传统的天文导航以可见光波段传感器CCD作为白天测星采集星光的仪器，然而可见光波段的传感器受到白天强烈的太阳光照、云层吸收、散射等因素干扰后，会严重影响成像质量，无法实现全天时天文导航[3]。而在短波红外波段，其天空辐射要远远低于可见光波段，薄云、烟、雾霾等对恒星星光的衰减也弱于可见光波段[4-6]。因此，短波红外设备对比可见光CCD在白天测星具有无可比拟的优势。

目前，常规的可见光CCD白天测星技术是利用长焦距大口径的光学仪器与CCD组合进行观测[7-8]。但是CCD在白天强光环境下工作会产生“过饱和”现象，且大口径长焦距的镜头成本高、体积大，不便于携带，因此，传统上有3种改善白天测星技术的方法[4]：①通过单镜头双CCD设计或降低CCD积分时间等方法消除CCD在强天空背景辐射下产生的画面“过饱和”现象；②改用特殊的光学镜片直接降低进入镜头的全部光强度;③通过使用电子倍增CCD或背照式CCD等高灵敏度特殊电荷耦合器件，直接增强观星的灵敏度[9]。工艺水平受限，上述3种方法均存在需改进的地方，并不能完好地解决可见光CCD白天测星成像的问题。比如在方法一中，“过饱和”现象产生时输出端的信号置换不能保证校正CCD与标准CCD数据边沿的较好衔接，在最终处理时可能会出现图像断层现象[10]。而在国外，美国Microcosm公司于2006年研发的型号为DayStar的红外天文导航装备，在正午海上的测星能力已经达到+7.1星等[4,11]，关于红外天文导航的研究则处于起步阶段，理论研究居多，相关设备的实测试验较少。

文中通过对短波红外传感器的测星特点进行分析，配置原理样机并进行试验，采用高性能短波红外波段InGaAs焦平面探测器，在短波红外波段观测星体进行白天测星。实验结果表明，此样机可以在清晨或黄昏等太阳辐射较弱的白天成功观测到可见光波段以外的恒星，并且短波红外波段大量的可观测恒星，对于提高测星的灵敏度与动态范围以及实现全天时天文导航具有一定的实际应用价值和参考意义。

1 短波红外对比可见光仪器测星的技术优势

在光学中，将0.9～2.5 μm区间的电磁波命名为短波红外波段，将短波红外波段划分为J(1.24 μm)，H(1.66 μm)，Ks(2.16 μm)3个波段。图1显示了J，H，K 3个红外窗口在电磁波辐射中的具体波段位置。

图1 光谱波段示意图(μm)

1.1 大气传输与天空背景辐射

大气辐射和太阳辐射是白天天空背景辐射的主要组成部分。在文献[3]的相关研究中表明，短波红外波段的白天天空背景辐射中，太阳辐射占绝大部分，而且其功率远低于可见光波段的辐射。而在大气辐射上，可见光辐射的大气透过率比短波红外波段低约20%～30%；另一方面，雾、霾、云层等大气遮挡物对可见光辐射的衰减比相对于短波红外波段的更高[3]。

由此可以得出，短波红外波段大气散射少，星图信噪比高，比可见光波段更适合白天测星。

1.2 探测器满势阱能力

无论是可见光波段CCD传感器还是短波红外波段InGaAs传感器，其内部像元的势阱都是有电荷存储上限的，所以一旦感光层接受的光照强度超出限制范围，电荷将势阱充满，即会出现电荷“溢出”现象。而InGaAs焦平面探测器作为短波红外传感器，其每个像元所能储存的电荷数量远大于可见光波段CCD传感器，一般CCD的满势阱电荷数量在10～100 k之间，而一般短波红外传感器的满势阱电荷数量能达到1 M以上[12]。目前，日本滨松公司的红外探测器势阱已经达到5Me-，美国宾夕法尼亚州费城的Judson公司的J22和J23系列InGaAs红外探测器的势阱超过9Me-[13]。

短波红外波段传感器更大的满势阱电荷储存量可以充分提高积分时间与系统的探测孔径，削弱电荷饱和现象，从而获得充足的白天测星信噪比。而可见光CCD传感器较小的满势阱电荷储存量限制了光学系统的口径及曝光量，导致系统整体测星信噪比、测星极限以及测星频率均弱于InGaAs短波红外探测器。

1.3 可观测星体数量

根据国外实验表明，白天在海上通过不同短波红外波段的传感器可观测到的最暗星等为：H波段+6.4星等、Ks波段+5.8星等[14]。分析2MASS星表提供的数据，统计J，H，Ks波段可观测的小于+6星等的恒星数量。结果如表1所示。

表1 可见光及短波红外星体数量统计

从表1中得出以下结论：在一个水平的亮度级别上进行比较，短波红外波段的星体数量远大于可见光波段。所以从测星概率来讲，短波红外波段同样远大于可见光波段。另外根据数据分析，K波段在白天可以选择的参考基准星体最多，H，J波段其次，可见光波段最少。

2 红外天文导航设备选型配置

系统样机的选型调试流程如图2所示。其中，传感器选型和红外镜头选型为最关键的部分。

图2 短波红外天文导航系统选型调试路线

2.1 传感器选型

当前，科学家们观测红外线的手段分为两种，一种是通过红外线的热效应以及被观测物体产生的红外热辐射进行观测的红外热感探测器；另外一种则是利用仪器探测物体自身的电子吸收红外光线后产生的逸出光电子，即红外光子型探测器。红外热探测器的优点在于其红外波长有较宽的响应范围，即使是微小的改变也能被红外热探测器所观测，其缺点在于如果待观测材料的热敏感性较差，其探测速率就会有比较明显地降低。而红外光子型探测器通过红外光照射物体产生的光电效应进行观测。利用光电效应进行观测的优点在于其响应速度非常快，一般在感应到红外辐射的几秒之内就可以完成光电效应，尤其是以半导体为主要材料的红外光子型探测器，其光电效应的产生几乎在于感应红外辐射的一瞬间，大部分的红外光子型探测器也都是使用以半导体材料为主。不过红外光子型探测器也有其明显的缺点，较快的响应速度带来的问题是其红外波长的响应范围比较窄，大部分半导体只对极小波长范围内的红外光波产生响应[15]。表2列出了两种红外探测手段的优劣对比。

表2 不同红外观测手段的优劣对比

在实际应用中，红外热探测器受限于热量流失，由于存在只能定性无法定量的问题，从而逐渐被淘汰出高精探测需求市场。而红外光子型探测器的灵敏度随着工艺科技的发展不断提高，其从单元式结构发展为多元式结构，单色型材料发展为多色型材料，从线列发展为面阵，同时科技水平的提高使得对高精度高准确度的红外探测器需求也越来越大[15]。

常用于制作红外光子型探测器的材料包括HgCdTe、InGaAs、PtSi等。目前，市场上已经形成了以HgCdTe和InGaAs为主，GaSb、PtSi等其他材料为辅的格局。表3给出了HgCdTe和InGaAs两种主流材料制造的红外探测器特性对比[16-19]。

表3 不同材料制造的短波红外焦平面探测器对比

由表3可知，HgCdTe材料的红外探测器需要在低温环境下工作，而且其在暗电流和非均匀性方面有所不足[20]。InGaAs材料的红外探测器，具有稳定性好、探测率高、均匀性好等特点，而其可在常温下工作的特点更符合野外天文导航定位作业的工作环境。因此，对于昼夜短波红外天文导航来说，InGaAs材料的红外传感器是一个比较合适的选择。

本文最终选取了某型号InGaAs材料短波红外相机作为系统样机的传感器，其部分技术参数如表4所示。

表4 传感器部分参数

2.2 镜头选型

文中选取了国产的TKL50和美国Navitar公司的两款镜头作为系统样机的镜头。

TKL50是专为短波红外波段(0.9～1.7 μm)设计的镜头，可匹配1″的大型探测器。光圈采用多叶片设计，可提高光圈调节精度和入射光均匀性，镜片表面镀0.8～1.8 μm的多层增透(AR)镀膜，透过率高，结构满足高抗震环境，适用于检测、分类及质量控制等多种短波红外成像应用，是用于短波红外成像的一种紧凑、轻巧的镜头。

Navitar公司是美国海军定制镜头供应商。文中采用的是其生产的OptiStar SWIR Lenses 1-19180型号镜头，在0.5～1.7 μm短波红外光透过率高达95%，镜头性能优异，成像效果极佳。

表5给出两款镜头的一些参数对比。

表5 镜头参数对比

2.3 设备配置

根据2.1和2.2节确定的传感器和镜头型号，利用Uart线将传感器的GigE Vision接口与便携式笔记本电脑USB接口连接，用三脚架固定传感器，通过电脑端的控制软件对传感器进行拍照、录像、计时等操作。

3 实验与分析

3.1 夜间试验

实验器材：某型号短波红外传感器、Leica TS60全站仪、TKL 50镜头、无滤波片；

拍摄时间：2020-08-02T21:00—22:00;

地点：河南郑州某大学实验楼楼顶;

环境条件：实验时天气情况良好，天空无云层，短波红外相机设置为高增益模式、4 ms积分时间，无滤波片。

试验结果：使用Leica TS60全站仪在整个南天区只有2颗较亮星体可见，而通过红外相机在南天区可以看到数之不尽的肉眼无法看到的红外波段的恒星。部分拍摄星图如图3所示。

图3 可见光与短波红外夜间对比星图

分析结论：本次实验采用Leica TS60全站仪和某型号红外相机在同一时段对同一天区进行观测。试验表明，红外相机相比于Leica TS60全站仪，能够观测到许多肉眼无法观测到的星体，且红外波段的恒星数量远远大于可见光波段的恒星数量。这对于解决天文导航“无星可测”问题，保证测量数据连续性，增加多余观测量，提高天文导航定位定向精度，具有实际的应用价值。

3.2 黄昏试验

实验器材：某型号短波红外传感器、TKL 50镜头、Navitar镜头、无滤波片；

拍摄时间：2020-06-13T17：00—21：00；

地点：河南郑州某大学实验楼楼顶；

环境条件：天气气象为多云， 17：00—18：30使用Navitar镜头进行实验,18：30之后使用TKL 50镜头进行实验。

试验结果：

2020-06-13T17：00—17：30天空背景较亮，太阳还没有完全落下，无法拍摄到清晰的星体图片。

2020-06-13T17：30—18：30太阳已经落下，但天空还未变黑。通过对相机的增益、曝光时间以及帧叠加等进行调节可以在视场内观测到1～3颗较亮星体。

2020-06-13T18:30—21:00随着天空逐渐变黑，可以观测到的星体也逐渐变多，到20:10左右，已经可以观测到3～8颗星体。

通过对两个镜头成像图片实验对比显示，TKL 50镜头拍摄的星图噪声明显要比Navitar镜头要多，TKL 50镜头成像总体效果略差于Navitar镜头。部分拍摄星图如图4所示。

分析结论：黄昏时分天还未黑时，在无滤波片条件下通过短波红外传感器可观测到1～3颗星体，验证了短波红外传感器白天测星的可能性。天黑后通过短波红外相机可观测到10颗较亮星体且观测到的5颗较亮星体均是肉眼不可见的，再一次表明了短波红外波段探测器能观测到可见光波段无法观测到的星体。

3.3 清晨试验

实验器材：某型号短波红外传感器、Navitar镜头、无滤波片;

拍摄时间：2020-06-15T8:00—10:30;

地点：河南郑州某大学实验楼楼顶;

环境条件：天气气象情况为晴天有少量云，日照强烈，设置为低增益模式、2 ms积分时间。

试验结果：

2020-06-15T8:00—8:30太阳光照还不是特别强烈，此时通过对相机的增益、曝光时间以及帧叠加等进行调节，可以在视场内观测到两颗肉眼无法观测到的恒星。

2020-06-15T9:00—10:30此时太阳已经升至上空，日照辐射强烈，在视场内无法观测到恒星。部分拍摄星图如图5所示。

图4 夜间试验拍摄星图

图5 白天试验拍摄星图

分析结论：在无滤波片的情况下，清晨太阳还未完全升至上空时，日照不强烈，此时可以通过短波红外相机观测到可见光波段以外的恒星。而当太阳光照越来越强时，恒星辐射逐渐淹埋在强烈的日照辐射中，无法观测。

3.4 实验结论

通过夜间试验表明，相比传统可见光天文导航，短波红外天文导航具有其无法比拟的优势。特别是在可观测恒星数量上，短波红外波段的可观测恒星数量比可见光波段高出1～2个数量级。这对于解决天文导航“无星可测”问题，保证测量数据连续性，增加多余观测量，提高天文导航定位定向精度，具有实际的应用价值。

黄昏和清晨试验表明，短波红外相机在太阳光照较弱的清晨或黄昏等时段，可以观测到可见光波段以外的短波红外波段的恒星。而当太阳光照较强时，背景光导致传感器过度曝光，使得系统无法在晴朗白天强烈太阳光照背景下进行白天测星。全天时自主天文导航是未来天文导航发展的重要方向，本次实验初步说明利用短波红外相机实现白天测星的可能性，但还存在无法克服强天光背景辐射的问题。

4 结束语

文中基于短波红外波段天文导航的测星特点，分析目前不同的短波红外传感器，并结合昼夜全天时天文导航的观测条件，研究并配置短波红外天文导航系统样机。通过实验，初步了解天文导航白天测星的可能性，对于全天时自主天文导航的发展具有一定的参考意义。然而在实验过程中，天空背景较亮时，背景光导致传感器过度曝光，使得系统无法在晴朗白天强烈太阳光照背景下进行白天测星。下一步研究方向考虑通过给镜头添加滤光片、遮光罩、消光栅等措施，来减弱背景光的影响，从而提高系统白天测星的抗干扰能力。