高光譜成像技術簡介

高光譜成像技術起源于光譜分析技術，各種類型的高光譜成像儀都有對應的傳統(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)別在于光路設計上需要考慮成像傳感器要求的平場光學光路結(jié)構(gòu)。

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

色散型高光譜成像技術

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)過準直光學系統(tǒng)準直后，經(jīng)棱鏡和光柵狹縫色散后將復色光色散成按波長大小依次排列的單色光譜線。通過平場光學設計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)過目標物體后進入物鏡，經(jīng)過透射式光柵和一系列棱鏡到達探測器。

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光學設計的，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器使用空間擺掃方式成像，這種方式是最早投入實用的成像光譜技術。目前波段最全，實用性較強的成像光譜儀仍使用這種方式。美國JPL實驗室的AVIRIS系統(tǒng)和美國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左右擺掃和飛行平臺向前運動方式完成二維空間成像，其線列探測器獲取每個瞬時視場像元的光譜維。擺掃型成像光譜儀的內(nèi)部電機驅(qū)動與被測物體平面成45°角的掃描鏡(Rotating Scan Mirror)進行360°旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)水平軸與被測物平面前進方向平行(Cross-track Scanning)。掃描鏡的掃描運動方向與遙感平臺運動方向垂直，對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具有光譜分辨率與空間分辨率。擺掃型成像光譜儀有視場(FOV)大、像元配準好、光譜波段范圍寬、探測元件定標方便、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好等優(yōu)點。但擺掃型成像的缺點是像元凝視時間短，提高光譜和空間分辨率以及信噪比相對困難(張兵，2002)。

推掃描方式成像光譜儀采用面陣探測器成像，探測器垂直于運動方向掃描，它的空間掃描方向就是平臺運動方向(Along-track Scanning)。同時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)點首先是像元的凝視時間大大增長，有利于提高系統(tǒng)的空間分辨率和光譜分辨率；其次沒有光機掃描機構(gòu)，儀器機械構(gòu)造簡單。推掃描型成像光譜儀的缺點主要是：增大FOV比較困難，一般在30°左右；面陣CCD的器件標定困難，面陣相機拍攝速率較慢實時性較低。

濾光片型高光譜成像技術

濾光片型成像光譜儀是每次只測量目標上的一個行的像元的光譜分布，它采用相機加濾光片的方案，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?？烧{(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)諧光學濾波器(LCTF)

圖2.8可調(diào)諧濾光片實物圖

干涉型高光譜成像技術

干涉型成像光譜中每個像元的光譜分布是對像元輻射的干涉圖與其各個光譜圖之間進行傅里葉(Fourier)變換運算得到的。干涉型成像光譜技術作為新一代的成像光譜技術，其光譜分辨率與通光孔徑無關，克服了色散型成像光譜技術的通光孔徑和光譜分辨率的制約，具有光通量高、視場(FOV)大、光譜分辨率高、光譜成像速度快等優(yōu)點成為成像光譜技術的發(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)，對其進行傅里葉變換需要計算大量的數(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),對應結(jié)構(gòu)圖如圖2.10: