基于超晶格红外探测器的高光谱红外相机支撑科学新发现

据麦姆斯咨询报道，美国国家航空航天局（NASA）开发的新型高光谱红外相机配备了各种轻型滤光片，能够探测地球高层大气和地表反射阳光，可以改善森林火灾预警，还能揭示其它行星的分子组成。

上述高光谱红外相机采用高灵敏、高分辨率应变层超晶格（SLS）红外探测器，最初由位于美国马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心开发。它们结构紧凑、质量轻、适应性强，使Tilak Hewagama等工程师能够根据各种科学需要进行调整应用。

戈达德工程师Murzy Jhabvala手中拿着的便是高分辨率、高光谱范围红外探测器，是紧凑型热像仪的核心器件。

Hewagama说：“将滤光片集成到探测器上，消除了传统镜头和滤光片系统的大重量问题。这使得轻量化热像仪可以拥有紧凑的焦平面，从而可以使用更小、更高效的冷却器进行红外探测。小型卫星和其它任务可以通过该红外探测器的分辨率和精度获益。”

戈达德工程师Murzy Jhabvala领导了该红外探测器的早期开发工作，并领导了如今的滤光片集成工作。

Jhabvala还领导了国际空间站上的“紧凑型热像仪”实验，该实验展示了新型探测器技术在太空中的应用，同时也证明了其在地球科学领域的重大成功。

2019年和2020年，集成该红外探测器的紧凑型热像仪在国际空间站上捕捉到了澳大利亚异常严重的火灾。凭借其高分辨率探测到了火线的形状和位置，以及距离居民区的距离，这些信息对急救人员至关重要。

这次试验获得的数据提供了有关野火的详细信息，使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，被称为重力波。

这种突破性的红外探测器利用重复的分子结构层与单个光子相互作用，使探测器能够以更高的分辨率解析更多波长的红外光：从空间站轨道上看，每个像素的分辨率可以达到80米，而目前的热像仪分辨率为375~1000米）。

这种热像仪的成功吸引了NASA地球科学技术办公室（ESTO）、小企业创新与研究以及其它计划的投资，以进一步扩大其应用覆盖。

Jhabvala和NASA先进陆地成像热红外探测器（ALTIRS）团队正在为今年的激光雷达、高光谱和热像仪（G-LiHT）机载项目开发六波段版本。他说，这种开创性红外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。

NASA戈达德地球科学家Doug Morton领导了一个名为ESTO的项目，开发面向野火探测和预测的紧凑型火灾成像仪。

Morton说：“我们很难杜绝火灾，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越来越易燃世界中的火灾新特性。”

Morton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颗小型卫星组成的编队，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它消防机构预防火灾，提高前线消防员的安全性，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

NASA戈达德地球科学家Dong Wu说，该探测器装有偏振滤光片，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。

Dong Wu说，这一应用将有力补充NASA的浮游生物、气溶胶、云层和海洋生态系统（PACE）任务。这两项任务都测量了光波偏振方向与红外光谱不同部分传播方向的关系。

Dong Wu解释说：“PACE任务中的偏振仪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，新的红外偏振仪将从白天和夜间观测中捕捉云层和地表特性。”

在另一项工作中，Hewagama正在与Jhabvala和Jennings合作，在红外探测器中加入线性可变滤光片，以提供红外光谱中的更多细节。这些滤光片可以揭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Carrie Anderson说，这项技术也有利于对岩质行星、彗星和小行星的任务。她说，它们可以识别土星卫星Enceladus巨大羽流中释放出的冰和挥发性化合物。

“它们本质上是冰的间歇喷泉。”她说，“它们是冷的，但发出的光在新型红外探测器的探测范围之内。在太阳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。”

审核编辑：刘清