The Challenge:

　　為下一代輕量級電子光學(xué)成像系統(tǒng)開發(fā)遠(yuǎn)程光譜儀铣翁。

The Solution:

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

　　"我們開發(fā)了自定義的LabVIEW虛擬儀器各祠，作為NSS系統(tǒng)的核心。"

　　在美國陸軍夜視與電子傳感器領(lǐng)導(dǎo)小組（NVESD）附舌，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)渺纯。

　　夜空的光譜密度對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)鍵的蛉差，特別是對于可見光（0.4 至0.7μm）正蹋、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壕哩，通常包括殘?jiān)戮琛o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)的可用自然光輸入扎运，以及系統(tǒng)相對于其本底噪聲對這些低級別的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換的能力瑟曲。夜空輻射的主要自然源包括月光、氣輝（或夜氣輝）豪治、對流層熱輻射和來自星星以及黃道的直射或散射光線洞拨。大氣衰減源包括吸收、散射以及折射负拟。

　　在任何情況下烦衣，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，另外掩浙，相對于天頂?shù)慕嵌纫矔?huì)影響來自個(gè)別夜空光源的輻射花吟。

夜空輻射

　　大氣層被劃分成六層，其中包括多種氣體和粒子厨姚，隨著海拔的上升衅澈，溫度和氣壓都會(huì)降低键菱。第一層是對流層，從地面開始直至空中11 千米矾麻，包含了最主要的衰減因素纱耻，其中包括水善答、二氧化碳仁墅、云、霧和氣溶膠缤币。這一層是波長大于2 微米的熱背景輻射的主要來源冲倡。對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旬敞，從而進(jìn)一步造成了光的散射蒸橡。在對流層的上面是平流層，擴(kuò)展到大約50 千米的空中深境。平流層含有O3（臭氧）每玛，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旅雇，分別擴(kuò)展到90 千米和300 千米的空中芦赔，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跃旁。在電離層之外是熱成層和外大氣層桥膝。

　　六個(gè)大氣分層都在不同程度上對可觀測到的地面夜空輻射起到了一定的貢獻(xiàn)，這些輻射包括氣輝撒穷、星光以及來自宇宙的宇宙輻射匣椰。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)生變化端礼，其方位角是對成的禽笑。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)變換蛤奥，從而產(chǎn)生了不同波段的能量蒲每。這些波段稱為Meinel羥基波段，對夜空輻射喻括，尤其是高于1 微米波長的輻射有很大貢獻(xiàn)邀杏。在高于2.5 微米波長，羥基輻射的貢獻(xiàn)更大唬血。但是望蜡，與對流層的地面熱輻射相比，這些輻射就顯得微不足道了拷恨。

　　從恒星脖律，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谢肾。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，因此相對于短波紅外而言苹衰，其在可見光和近紅外的范圍內(nèi)貢獻(xiàn)更大芬赢。

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 波長的光譜，其有效分辨率< 25 nm棘爱，分辨率約為10-9 W/cm2/μm眷幢。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)柜棠，能夠?qū)?nèi)部溫度保持在22 °C酒舶，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)歇决，用于控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)傳輸宇赁，從而可以讓NSS在幾個(gè)月內(nèi)，無人值守地收集連續(xù)光譜掃描芹蟹。

　　我們開發(fā)了定制的LabVIEW 虛擬儀器凳嘁，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)采集板卡绍绽，可以與每個(gè)硬件組件進(jìn)行通信只磷。在每次掃描的開始，VI 從衛(wèi)星盤讀取GPS 坐標(biāo)少欺，從最近的NOAA天氣工作站獲取最新的天氣狀況喳瓣，并且將系統(tǒng)自身傳感器獲得的溫度和相對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器通道赞别、探測器增益畏陕、波長、濾波器以及光柵仿滔。VI 獲取遮光器和探測器信號惠毁，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)攝像頭的圖像崎页，從探測器讀取溫度鞠绰，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)送飒焦。

　　NI 軟件和硬件使用兩個(gè)GPIB 設(shè)備地址蜈膨、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)行通信牺荠，他們可以使用PCI-6036E 的任何一個(gè)可用通道强剥。VI 包括三種模式：掃描模式、噪聲測量模式以及實(shí)驗(yàn)室重標(biāo)定模式。

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