高光谱成像技术原理的三种类型

高光谱成像技术简介

高光谱成像技术起源于光谱分析技术，各种类型的高光谱成像仪都有对应的传统光谱仪器原型，在光谱分析原理上与传统光谱分析理论相同，区别在于光路设计上需要考虑成像传感器要求的平场光学光路结构。

与传统光谱分析技术类似，高光谱成像技术从原理上也大致可分为三类：色散型成像技术、滤光片型成像技术和干涉型成像技术(张和根等，2001)。

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。

滤光片型高光谱成像技术

滤光片型成像光谱仪是每次只测量目标上的一个行的像元的光谱分布，它采用相机加滤光片的方案，分为传统滤光片型和可调谐滤光片型。传统的滤光片系

统成像仪如图2.7所示。可调谐滤光片的种类很多，有声光可调谐滤光片(AOTF)、液晶可调谐滤光片(LCTF)、电光可调谐滤光片和法布里-珀罗(Fabry-Perot)可调谐滤光片等，应用在成像光谱仪上的主要有声光可调谐滤光片和液晶可调谐滤光片(Fisher et al, 1991),实物图如图2.8所示。

(a)MSI系列滤光片型多光谱成像仪

(b)滤光片分光元件

图2.7使用传统滤光片系统的光谱成像仪

(a)AOTF可调谐滤光片

(b)液晶可调谐光学滤波器(LCTF)

图2.8可调谐滤光片实物图

干涉型高光谱成像技术

干涉型成像光谱中每个像元的光谱分布是对像元辐射的干涉图与其各个光谱图之间进行傅里叶(Fourier)变换运算得到的。干涉型成像光谱技术作为新一代的成像光谱技术，其光谱分辨率与通光孔径无关，克服了色散型成像光谱技术的通光孔径和光谱分辨率的制约，具有光通量高、视场(FOV)大、光谱分辨率高、光谱成像速度快等优点成为成像光谱技术的发展方向(Filella et al,1995),但由于干涉高光谱图像是三维的图像数据，对其进行傅里叶变换需要计算大量的数据量。基本结构如图2.9;

根据获取像元干涉图方法的不同，干涉型成像光谱仪又分为迈克尔逊干涉型、双折射干涉型和三角共路干涉型。(Elvidge et al.1993),对应结构图如图2.10: