光譜成像知多少

光譜成像技術是一類將成像技術和光譜技術相結合的新型多維信息獲取技術，能探測獲得被測目標的二維空間信息和一維光譜信息構成的數(shù)據(jù)立方體，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理能夠獲得不同地物的光譜曲線。

光譜成像技術起源于上世紀八十年代，其前身是多光譜遙感成像技術。由于光譜成像具有良好的信息獲取能力，光譜成像技術得到了飛速的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展出多種光譜成像技術，成像光譜儀產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代。

光譜成像技術的分類標準多種多樣，按不同的分光方式，可以分為色散型和干涉型等光譜成像技術。色散型光譜成像技術和干涉型光譜成像技術都是通過推掃或擺掃的方式獲得目標的二維空間信息和一維光譜信息，對平臺的穩(wěn)定性要求很高，且在同一次曝光中獲取所有譜段的光譜信息。采用濾光片的光譜成像方案，無論是采用多個濾光片并行獲取多個波長的圖像信息，還是采用依次切換濾光片的方式，都需要根據(jù)系統(tǒng)的光譜響應來設置合適的曝光時間，從而獲得最大的信噪比。

衍射光柵的應用方法和色散棱鏡一樣，入射狹縫位于準直系統(tǒng)前焦面上，入射光經(jīng)準直系統(tǒng)后，經(jīng)光柵將狹縫按波長成像在焦平面探測器上。

衍射光柵的另外一種用法是將其置于發(fā)散光束中，從狹縫入射的光不需要準直系統(tǒng)直接入射到光柵上，經(jīng)光柵衍射后可得到目標狹縫的光譜虛像，成像系統(tǒng)將狹縫按波長成像在面陣探測器的不同位置，這種成像技術已經(jīng)被應用到OrbView-4衛(wèi)星的戰(zhàn)術遙感器的概念設計中。

目前國際上比較成熟的機載和航空航天打在的色散型光譜儀都是基于衍射光柵的，比如美國噴氣推進實驗室的AVIRIS、加拿大的CASI、芬蘭的AISA，以及光譜輻射計MODIS等儀器和設備。

二元光學元件既是色散元件也是成像元件，利用單色面陣探測器沿光軸方向?qū)λx波段成像范圍進行掃描，每一位置對應相應波長的成像區(qū)。二元光學元件同普通透鏡一樣會聚入射光線，但是它依據(jù)的是衍射原理，由衍射產(chǎn)生的色差的有效焦距與波長成反比。

與棱鏡或光柵元件沿垂直于光軸方向色散的特性不同，二元光學元件沿軸線色散，采用二元光學元件的成像光譜儀其光譜分辨率由探測器的尺寸決定。該結構成像光譜儀結構緊湊，衍射效率高。

聲光可調(diào)諧濾光片（AOTF）是一種新型的色散元件，由聲光介質(zhì)、換能器陣列和聲終端三部分組成。根據(jù)聲光衍射原理，當復色光以特定的角度入射到聲光介質(zhì)后，由于聲光相互作用，滿足動量匹配條件的入射光被超聲波衍射成兩束正交的單色光，分別位于零級光兩側(cè)。改變射頻信號的頻率，衍射光的波長也相應改變。連續(xù)快速的改變射頻信號的頻率就能實現(xiàn)在衍射光波長范圍內(nèi)快速的光譜掃描。

干涉型成像光譜儀

由于色散型成像光譜儀的光譜分辨率與入射狹縫的寬度成反比，要獲得更高的光譜分辨率，就要不斷減小狹縫的寬度，以至于系統(tǒng)的光通量減少，導致探測靈敏度很低。隨著成像光譜儀的技術指標要求的提高，尤其是空間分辨率、光譜分辨率、對弱信號的探測能力等方面，色散型成像光譜儀漸漸不能滿足要求。干涉成像光譜儀在原理上具有高光譜分辨率與高能量利用率等優(yōu)點，能夠滿足不斷提高的應用需求，逐漸成為成像光譜技術領域的研究熱點。

干涉成像光譜儀的主要分光技術有邁克爾遜干涉法、三角共光路干涉法、雙折射干涉法等。近年來又發(fā)展出了利用液晶可調(diào)諧濾光片獲得偏振光，進而發(fā)生干涉的技術。除了以上的雙光束干涉技術，還有基于多光束干涉的分光技術。

濾光片型成像光譜儀

濾光片型成像光譜儀是在光路中加入濾光片作為分光元件，通過更換濾光片來獲得不同的光譜通道。濾光片型光譜成像以電調(diào)諧的方式改變中心波長，波長調(diào)整一次，相機曝光一次，系統(tǒng)記錄下該波段的二維圖像信息，然后在設定下一個透過波長。依次循環(huán)，直到完成所有波長的圖像采集任務，獲得最終的光譜數(shù)據(jù)立方體。

光譜成像技術是光譜分析技術和圖像分析技術的完美結合，同時具備光譜分辨能力和圖像分辨能力，可以對被測物體進行定性、定量、定位分析，利用物體表面成分的光譜差異，可以實現(xiàn)對目標的精確識別和定位，在物質(zhì)識別、遙感探測、醫(yī)療診斷等領域具有廣泛的應用。

光譜成像技術的發(fā)展經(jīng)歷了多光譜、高光譜、超光譜成像三個階段，正是因為成像光譜儀可以得到波段寬度很窄的多波段圖像數(shù)據(jù)，所以它多用于地物的光譜分析與識別。隨著光譜分辨率不斷提高，獲取的目標光譜信息更加精細，在軍事、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、資源勘探、地質(zhì)調(diào)查等領域的應用越來越廣泛。

在軍用方面，由于成像光譜儀具有在光譜上區(qū)分地物類型的能力，因此它在地物的精細分類、目標檢測和變化檢測上頭體現(xiàn)出較強的優(yōu)勢，稱為一種重要的戰(zhàn)場偵查手段。光譜圖像可以在自然草地背景下分辨出真實目標和偽裝目標，在沙漠背景下快速檢測出戰(zhàn)術小目標。

在民用方面，光譜成像起源于地質(zhì)礦物資源的識別研究，尤其是特殊的礦產(chǎn)探測如礦化蝕變巖的探測，逐漸擴展到植被生態(tài)學、海洋和海岸水色調(diào)查、水體檢測、冰雪、土壤以及大氣的研究中。具有精細分辨率的光譜圖像具有圖譜合一的特性，可以精確探測植被生長特征的光譜信息，甚至可以識別、估計水域中的葉綠素即懸浮物含量，檢測水質(zhì)受到化學污染的情況。精細光譜成像已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點，學者們利用精細光譜成像技術更加微觀的尺度上定量化地在進行物質(zhì)機理探測研究。