色散型高光谱成像技术

色散型高光谱成像技术

光谱分析单元为色散元件，一般采用光栅或棱镜作为色散单元，入射的辐射光经过准直光学系统准直后，经棱镜和光栅狭缝色散后将复色光色散成按波长大小依次排列的单色光谱线。通过平场光学设计使光谱平直地分布在平面图像传感器上，在获得光谱分辨的同时获得空间分辨力。色散型成像光谱仪器基本结构示意图见图2.1。

光栅根据其分光方式的不同分为透射式和反射式，如图2.2所示。

图2.3是透射式光栅线扫描成像光谱仪的结构图，光经过目标物体后进入物镜，经过透射式光栅和一系列棱镜到达探测器。

图2.4是反射式光栅的示意图，反射式光栅线扫描成像光谱仪的结构和透射式不同地方就是在入射狭缝之前的这一部分，入射狭缝和光栅在同一侧。美国Headwall公司制造的Hyperspec VNIR高光谱成像光谱仪就是基于同轴全反射，f/2光学设计的，成像波段范围为600~1600nm。

色散型系统一般采用扫描方式工作，又分为摆扫描(Whiskbroom)方式和推扫描(Pushbroom)方式，通过扫描得到高光谱成像立方体。

摆扫描方式即采用线阵列探测器使用空间摆扫方式成像，这种方式是最早投入实用的成像光谱技术。目前波段最全，实用性较强的成像光谱仪仍使用这种方式。美国JPL实验室的AVIRIS系统和美国GER公司的GERIS系统等都属于此类成像光谱仪(Horler et al.1983)。摆扫型成像光谱仪通过光机左右摆扫和飞行平台向前运动方式完成二维空间成像，其线列探测器获取每个瞬时视场像元的光谱维。摆扫型成像光谱仪的内部电机驱动与被测物体平面成45°角的扫描镜(Rotating Scan Mirror)进行360°旋转，其旋转水平轴与被测物平面前进方向平行(Cross-track Scanning)。扫描镜的扫描运动方向与遥感平台运动方向垂直，对物体左右平行扫描成像。如图2.5,这样成像光谱仪所获取的图像就同时具有光谱分辨率与空间分辨率。摆扫型成像光谱仪有视场(FOV)大、像元配准好、光谱波段范围宽、探测元件定标方便、数据稳定性好等优点。但摆扫型成像的缺点是像元凝视时间短，提高光谱和空间分辨率以及信噪比相对困难(张兵，2002)。

推扫描方式成像光谱仪采用面阵探测器成像，探测器垂直于运动方向扫描，它的空间扫描方向就是平台运动方向(Along-track Scanning)。同时光谱仪通过光栅和棱镜分光，完成光谱维扫描，见图2.6,线扫描型成像光谱仪的优点首先是像元的凝视时间大大增长，有利于提高系统的空间分辨率和光谱分辨率；其次没有光机扫描机构，仪器机械构造简单。推扫描型成像光谱仪的缺点主要是：增大FOV比较困难，一般在30°左右；面阵CCD的器件标定困难，面阵相机拍摄速率较慢实时性较低。