美国陆军使用LabVIEW开发下一代夜空光谱仪

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:
为下一代轻量级电子光学成像系统开发远程光谱仪。

The Solution:
使用NI LabVIEW作为系统的基础，使它能够对地面的夜空自然光谱辐射进行特性分析。

用于夜空光谱仪的LabVIEW软件前面板截屏

在美国陆军夜视与电子传感器领导小组（NVESD），我们专门进行夜视以及其他传感器技术的研究和开发。

夜空的光谱密度对于夜间无源成像系统的开发、特性获取以及发布是十分关键的，特别是对于可见光（0.4 至0.7μm）、近红外光（0.7 至1.1μm）以及短波红外光（1.1 至2.5μm）频谱。典型的无源低光亮等级的成像传感器通常在将信噪比限制在给定的夜空照明条件下，通常包括残月、无云的星空直至多云的星空等。

限制大部分系统性能的因素是较低的在系统工作频带范围之内的可用自然光输入，以及系统相对于其本底噪声对这些低级别的信号进行转换的能力。夜空辐射的主要自然源包括月光、气辉（或夜气辉）、对流层热辐射和来自星星以及黄道的直射或散射光线。大气衰减源包括吸收、散射以及折射。

在任何情况下，确定夜空光谱辐射的难点是个别光源以及衰减机制会发生内在变化，另外，相对于天顶的角度也会影响来自个别夜空光源的辐射。

夜空辐射
大气层被划分成六层，其中包括多种气体和粒子，随着海拔的上升，温度和气压都会降低。第一层是对流层，从地面开始直至空中11 千米，包含了最主要的衰减因素，其中包括水、二氧化碳、云、雾和气溶胶。这一层是波长大于2 微米的热背景辐射的主要来源。对流层是所有大气分层中气压最高的，因此包含了密度最高的粒子，从而进一步造成了光的散射。在对流层的上面是平流层，扩展到大约50 千米的空中。平流层含有O3（臭氧），能够吸收大量紫外辐射。在上面两层分别是中间层和电离层，分别扩展到90 千米和300 千米的空中，OH 气辉发射在这两层之间发生，是夜空辐射的重要部分。在电离层之外是热成层和外大气层。

六个大气分层都在不同程度上对可观测到的地面夜空辐射起到了一定的贡献，这些辐射包括气辉、星光以及来自宇宙的宇宙辐射。气辉主要是由羟离子（OH）辐射组成的，并且会随着天顶的角度发生变化，其方位角是对成的。这些发生是由于在70至110 千米的纬度，出现OH离子的振动和旋转变换，从而产生了不同波段的能量。这些波段称为Meinel羟基波段，对夜空辐射，尤其是高于1 微米波长的辐射有很大贡献。在高于2.5 微米波长，羟基辐射的贡献更大。但是，与对流层的地面热辐射相比，这些辐射就显得微不足道了。

从恒星，主要是银河系的恒星发射出来的直接辐射和散射辐射被认为是各向异性的穿越天空的。宇宙辐射或是黄道光线是阳光通过星际尘埃进行散射得到的，因此相对于短波红外而言，其在可见光和近红外的范围内贡献更大。

夜空光谱仪
夜空光谱仪或是NSS 系统使用光栅光谱仪的散射反射面板来收集从400 至2000 nm 波长的光谱，其有效分辨率< 25 nm，分辨率约为10-9 W/cm2/μm。系统安装在环境控制的箱体内，带有两个固态热电空调，能够将内部温度保持在22 °C，同时还可以去除任何多余的湿度。远程接入功能可以通过便携式卫星系统实现，用于控制系统以及数据传输，从而可以让NSS在几个月内，无人值守地收集连续光谱扫描。

我们开发了定制的LabVIEW 虚拟仪器，作为NSS 系统的基础。内部计算机包含两块PCI板卡；一块是NI PCI-GPIB 板卡以及一块NI PCI-6036E 多功能数据采集板卡，可以与每个硬件组件进行通信。在每次扫描的开始，VI 从卫星盘读取GPS 坐标，从最近的NOAA天气工作站获取最新的天气状况，并且将系统自身传感器获得的温度和相对适度等信息插入到数据的头部。VI为每个数据点选择适当的探测器通道、探测器增益、波长、滤波器以及光栅。VI 获取遮光器和探测器信号，并且使用定制的锁定放大器子VI计算强度。VI 还包括了来自两个外部网络摄像头的图像，从探测器读取温度，控制外部发光二极管指示，甚至还可以将数据集作为电子邮件发送。

NI 软件和硬件使用两个GPIB 设备地址、16 个模拟输入通道、两个模拟输出通道和八个数字输入/ 输出通道进行通信，他们可以使用PCI-6036E 的任何一个可用通道。VI 包括三种模式：扫描模式、噪声测量模式以及实验室重标定模式。