高光譜成像技術(shù)簡(jiǎn)介

高光譜成像技術(shù)起源于光譜分析技術(shù)，各種類型的高光譜成像儀都有對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)光譜儀器原型，在光譜分析原理上與傳統(tǒng)光譜分析理論相同，區(qū)別在于光路設(shè)計(jì)上需要考慮成像傳感器要求的平場(chǎng)光學(xué)光路結(jié)構(gòu)。

與傳統(tǒng)光譜分析技術(shù)類似，高光譜成像技術(shù)從原理上也大致可分為三類：色散型成像技術(shù)、濾光片型成像技術(shù)和干涉型成像技術(shù)(張和根等，2001)。

色散型高光譜成像技術(shù)

光譜分析單元為色散元件，一般采用光柵或棱鏡作為色散單元，入射的輻射光經(jīng)過準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后，經(jīng)棱鏡和光柵狹縫色散后將復(fù)色光色散成按波長(zhǎng)大小依次排列的單色光譜線。通過平場(chǎng)光學(xué)設(shè)計(jì)使光譜平直地分布在平面圖像傳感器上，在獲得光譜分辨的同時(shí)獲得空間分辨力。色散型成像光譜儀器基本結(jié)構(gòu)示意圖見圖2.1。

光柵根據(jù)其分光方式的不同分為透射式和反射式，如圖2.2所示。

圖2.3是透射式光柵線掃描成像光譜儀的結(jié)構(gòu)圖，光經(jīng)過目標(biāo)物體后進(jìn)入物鏡，經(jīng)過透射式光柵和一系列棱鏡到達(dá)探測(cè)器。

圖2.4是反射式光柵的示意圖，反射式光柵線掃描成像光譜儀的結(jié)構(gòu)和透射式不同地方就是在入射狹縫之前的這一部分，入射狹縫和光柵在同一側(cè)。美國(guó)Headwall公司制造的Hyperspec VNIR高光譜成像光譜儀就是基于同軸全反射，f/2光學(xué)設(shè)計(jì)的，成像波段范圍為600~1600nm。

色散型系統(tǒng)一般采用掃描方式工作，又分為擺掃描(Whiskbroom)方式和推掃描(Pushbroom)方式，通過掃描得到高光譜成像立方體。

擺掃描方式即采用線陣列探測(cè)器使用空間擺掃方式成像，這種方式是最早投入實(shí)用的成像光譜技術(shù)。目前波段最全，實(shí)用性較強(qiáng)的成像光譜儀仍使用這種方式。美國(guó)JPL實(shí)驗(yàn)室的AVIRIS系統(tǒng)和美國(guó)GER公司的GERIS系統(tǒng)等都屬于此類成像光譜儀(Horler et al.1983)。擺掃型成像光譜儀通過光機(jī)左右擺掃和飛行平臺(tái)向前運(yùn)動(dòng)方式完成二維空間成像，其線列探測(cè)器獲取每個(gè)瞬時(shí)視場(chǎng)像元的光譜維。擺掃型成像光譜儀的內(nèi)部電機(jī)驅(qū)動(dòng)與被測(cè)物體平面成45°角的掃描鏡(Rotating Scan Mirror)進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)水平軸與被測(cè)物平面前進(jìn)方向平行(Cross-track Scanning)。掃描鏡的掃描運(yùn)動(dòng)方向與遙感平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向垂直，對(duì)物體左右平行掃描成像。如圖2.5,這樣成像光譜儀所獲取的圖像就同時(shí)具有光譜分辨率與空間分辨率。擺掃型成像光譜儀有視場(chǎng)(FOV)大、像元配準(zhǔn)好、光譜波段范圍寬、探測(cè)元件定標(biāo)方便、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。但擺掃型成像的缺點(diǎn)是像元凝視時(shí)間短，提高光譜和空間分辨率以及信噪比相對(duì)困難(張兵，2002)。

推掃描方式成像光譜儀采用面陣探測(cè)器成像，探測(cè)器垂直于運(yùn)動(dòng)方向掃描，它的空間掃描方向就是平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向(Along-track Scanning)。同時(shí)光譜儀通過光柵和棱鏡分光，完成光譜維掃描，見圖2.6,線掃描型成像光譜儀的優(yōu)點(diǎn)首先是像元的凝視時(shí)間大大增長(zhǎng)，有利于提高系統(tǒng)的空間分辨率和光譜分辨率；其次沒有光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)，儀器機(jī)械構(gòu)造簡(jiǎn)單。推掃描型成像光譜儀的缺點(diǎn)主要是：增大FOV比較困難，一般在30°左右；面陣CCD的器件標(biāo)定困難，面陣相機(jī)拍攝速率較慢實(shí)時(shí)性較低。

濾光片型高光譜成像技術(shù)

濾光片型成像光譜儀是每次只測(cè)量目標(biāo)上的一個(gè)行的像元的光譜分布，它采用相機(jī)加濾光片的方案，分為傳統(tǒng)濾光片型和可調(diào)諧濾光片型。傳統(tǒng)的濾光片系

統(tǒng)成像儀如圖2.7所示。可調(diào)諧濾光片的種類很多，有聲光可調(diào)諧濾光片(AOTF)、液晶可調(diào)諧濾光片(LCTF)、電光可調(diào)諧濾光片和法布里-珀羅(Fabry-Perot)可調(diào)諧濾光片等，應(yīng)用在成像光譜儀上的主要有聲光可調(diào)諧濾光片和液晶可調(diào)諧濾光片(Fisher et al, 1991),實(shí)物圖如圖2.8所示。

(a)MSI系列濾光片型多光譜成像儀

(b)濾光片分光元件

圖2.7使用傳統(tǒng)濾光片系統(tǒng)的光譜成像儀

(a)AOTF可調(diào)諧濾光片

(b)液晶可調(diào)諧光學(xué)濾波器(LCTF)

圖2.8可調(diào)諧濾光片實(shí)物圖

干涉型高光譜成像技術(shù)

干涉型成像光譜中每個(gè)像元的光譜分布是對(duì)像元輻射的干涉圖與其各個(gè)光譜圖之間進(jìn)行傅里葉(Fourier)變換運(yùn)算得到的。干涉型成像光譜技術(shù)作為新一代的成像光譜技術(shù)，其光譜分辨率與通光孔徑無關(guān)，克服了色散型成像光譜技術(shù)的通光孔徑和光譜分辨率的制約，具有光通量高、視場(chǎng)(FOV)大、光譜分辨率高、光譜成像速度快等優(yōu)點(diǎn)成為成像光譜技術(shù)的發(fā)展方向(Filella et al,1995),但由于干涉高光譜圖像是三維的圖像數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換需要計(jì)算大量的數(shù)據(jù)量?；窘Y(jié)構(gòu)如圖2.9;

根據(jù)獲取像元干涉圖方法的不同，干涉型成像光譜儀又分為邁克爾遜干涉型、雙折射干涉型和三角共路干涉型。(Elvidge et al.1993),對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)圖如圖2.10: