海技物所广域精细热成像技术：实现对人与自然之间交互作用的精确监测

10月23日，上海市科学技术奖再度揭晓。胸怀“国之大者”，坚持“四个面向”，一大批标志性成果竞相涌现，为正处于关键跃升期的上海国际科技创新中心建设增添底色和亮度。

九三学社上海市委科技专门委员会副主任、中国科学院上海分院委员会副主委，中国科学院上海技术物理研究所卫星副总设计师、红外科学与技术重点实验室副主任陈凡胜主持完成的项目“广域精细热成像技术”荣获2023年上海市技术发明奖一等奖。

今天，让我们一起走近这项优秀创新成果！

项目名称：广域精细热成像技术

完成单位：中国科学院上海技术物理研究所

完成人：陈凡胜 等

奖励等级：技术发明一等奖

人类的活动正在改变地球的环境，特别是通过产生的热量影响着我们的星球。这种变化体现在全球变暖、城市热岛效应以及极地冰雪的融化等现象，对我们的生活和未来生存及发展带来了重要影响。为了更好地应对这些挑战，我们需要突破先进的科学技术来“测量”地球的温度，精细刻画人类活动留下的痕迹，以此来探究人类活动如何影响地球环境和其背后的机制，从而实现对人与自然之间交互作用的精确监测。这对于全球的可持续发展至关重要。

图1 广域精细热成像技术研究团队

天基热红外成像技术可以从遥远的太空中给我们的地球“测温”。但由于长波热红外衍射极限及工程边界条件的制约，要同时实现广覆盖和高分辨率并不容易。目前，美国最先进的陆地资源卫星Landsat 9热像仪采用长线列推扫成像方式，能够获取幅宽185公里、空间分辨率100米的地表热红外信息。这意味着我们能够大致了解地表温度的变化，但要对温度变化进行更细致的测量，就需要更高的空间分辨率来捕捉细节，同时也需要更广的覆盖以展示整体的变化趋势。世界范围内现有的探测系统及成像体制无法完全满足这样的需求。另一方面，国外高灵敏红外探测器对我国长期禁运，新的信息获取技术要求探测器在百微秒积分时间获得更高的灵敏度，如何突破高灵敏长波红外探测器组件技术、开发新的热红外信息获取体制成为我国天基广域精细热红外遥感领域面临的重要难题。

图2 摆扫成像体制及多模块拼接三谱段长线列长波红外探测器组件

为了实现广覆盖和高分辨率成像的应用目标，在中国科学院先导A项目的支持下，中国科学院上海技术物理研究所广域精细热成像技术研究团队开展了为期5年的技术攻关，突破了多项核心技术，打破了国外在该领域对我国的长期封锁。项目负责人陈凡胜研带领团队在低轨广域热红外成像方面进行了创新性发明，针对光学口径、视场、探测器规模等指标工程实现相互制约，难以同时实现宽覆盖和高分辨的问题，创建了三谱段热红外长线列双向摆扫的成像体制，提出了通过2048元长线列探测器和高精度一维扫描机构实现截止12.5μm谱段、30米高分辨率和300公里大幅宽三谱段热红外数据获取的总体技术方案，解决了长波热红外探测领域大幅宽与高分辨成像的核心技术难题。

面对国外长波红外探测器对我国严格封锁的现状，林春、陈溪、陈俊林、王瀚哲等项目核心成员突破了高灵敏、低暗电流探测器杜瓦制冷机组件技术，周晟等攻克了三谱段集成滤光片技术，研制了热红外三谱段四级TDI单片集成和长线列一体化组件。

针对热红外载荷受仪器背景噪声影响大的难题，杨林、李亚然等攻克了大视场全口径195K深低温光机技术，实现了三谱段最高达41mK在轨噪声等效温差，优于国际同类产品。徐梦娜、李南茜等解决了热像仪热控难题，保证了仪器在轨温度场稳定。张勇、唐玉俊、郝健、苏晓锋等解决了热红外低噪声信息获取难题，突破了一维摆扫机构的高精度测量及控制技术，为在轨33°视场范围内高精度、高稳定性双向摆扫成像打下坚实的技术基础。胡兴健、孙小进等完成热像仪一体化结构设计，在保证支撑强度的同时实现了轻量化及高集成。

针对长线列摆扫热像仪难以在广域高分下实现高精度定标的问题，团队核心成员胡琸悦提出了基于单温度修正的低频次高精度辐射定标方法、基于LSTM模型的探测系统稳定性动态监视方法，建立了地面测试评估系统，实现了优于1K的在轨辐射定标精度。针对摆镜引入导致定位误差源增多、模型解算困难的问题，项目骨干李潇雁提出了无K镜补偿的长线列摆扫载荷在轨几何定位方法，解决了一维摆扫多参数下的高精度定位难题。李丽圆、周晓萱等实现了基于多谱段热红外数据的飞机、船舶等人类活动痕迹目标的高精度测量，提高了复杂背景下海空目标的昼夜探测能力。

热像仪研制过程中，研究团队坚持贯彻落实习近平总书记关于“加快建设科技强国，实现高水平科技自立自强”的指示精神，在面对技术挑战和资源限制时，始终坚守“特别能吃苦、特别能战斗、特别能奉献”的航天精神，攻克了一个又一个难关，实现了一个又一个技术突破。

广域精细热成像技术成功应用于SDGSAT-1等对地遥感卫星中，解决了人类活动痕迹精细刻画面临的数据短缺难题，热红外影像展示了 江河湖海、山川丘陵、戈壁荒漠等自然景观，以及工业排放、港口机场与城市变迁等与人类活动场景。基于热像仪数据在国际上首次实现了30米分辨率的北极冰间水道探测，揭示了以往中分辨率热红外无法刻画的精细冰间水道结构，对探究北极冰间水道的分布和演化过程具有重大意义。广域精细热红外成像技术为全球可持续发展提供了宝贵的数据，推动了我国长波红外对地遥感领域的跨越式发展，为我国下一代天基广域精细探测与成像技术发展积累了宝贵的经验。

瞄准未来，研究团队将在广域精细热成像技术的基础上继续深挖，进一步提升我国在该领域的观测能力，为全球可持续发展目标的监测、评估等后续任务的实施打下坚实的技术基础。

图3 三波段热红外沙漠图像（左） 和单波段热红外海冰图像（右）

图4 热红外数据应用于昆士兰州森林火灾监测