淺談成像光譜儀的原理及應(yīng)用

成像光譜儀是20世紀(jì)80年代開始在多光譜遙感成像技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它以高光譜分辨率獲取景物或目標(biāo)的高光譜圖像，在航空、航天器上進(jìn)行陸地、大氣、海洋等觀測中有廣泛的應(yīng)用，高光譜成像儀可以應(yīng)用在地物精確分類、地物識別、地物特征信息的提取。

建立目標(biāo)的高光譜遙感信息處理和定量化分析模型后，可提高高光譜數(shù)據(jù)處理的自動化和智能化水平。由于成像光譜儀高光譜分辨率的巨大優(yōu)勢，在空間對地觀測的同時獲取眾多連續(xù)波段的地物光譜圖像，達(dá)到從空間直接識別地球表面物質(zhì)的目的，成為遙感領(lǐng)域的一大熱點，正在成為當(dāng)代空間對地觀測的主要技術(shù)手段。地面上采用光譜成像儀也取得了很大的成果，如科學(xué)研究、工農(nóng)林業(yè)環(huán)境保護(hù)等方面。

本文主要簡述高光譜成像儀的基本原理和在農(nóng)林環(huán)境保護(hù)等方面的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)工作原理與結(jié)構(gòu)

高光譜成像儀將成像技術(shù)和光譜技術(shù)結(jié)合在一起，在探測物體空間特征的同時并對每個空間像元色散形成幾十個到上百個波段帶寬為10nm左右的連續(xù)光譜覆蓋。

1.1 系統(tǒng)工作原理

地面物體的反射光通過物鏡成像在狹縫平面，狹縫作為光欄使穿軌方向地面物體條帶的像通過，擋掉其他部分光。地面目標(biāo)物的輻射能通過指向鏡，由物收鏡收集并通過狹縫增強準(zhǔn)直照射到色散元件上，經(jīng)色散元件在垂直條帶方向按光譜色散，用會聚鏡會聚成像在傳感器使用的二維CCD面陣列探測元件被分布在光譜儀的焦平面上。焦平面的水平方向平行于狹縫，稱空間維，每一行水平光敏元上是地物條帶一個光譜波段的像；焦平面的垂直方向是色散方向，稱光譜維，每一列光敏元上是地物條帶一個空間采樣視場(像元)光譜色散的像。這樣，面陣探測器每幀圖像數(shù)據(jù)就是一個穿軌方向地物條帶的光譜數(shù)據(jù)，加上航天器的運動，以一定速率連續(xù)記錄光譜圖像，就得到地面二維圖像及圖形中各像元的光譜數(shù)據(jù)，即圖像立方體。

1.2 光譜成像儀數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)構(gòu)成

光譜成像儀由光學(xué)系統(tǒng)、信號前端處理盒、數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)三部分組成。

數(shù)據(jù)的回放及預(yù)處理通過專用軟件在高性能的微機上完成。軟件具有如下功能：數(shù)據(jù)備份；快速回放；數(shù)據(jù)規(guī)整和格式轉(zhuǎn)換；圖像分割截取；標(biāo)準(zhǔn)格式的圖像數(shù)據(jù)生成等。

2 成像光譜儀的應(yīng)用

成像光譜儀的應(yīng)用范圍遍及化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域，對于純定性到高度定量的化學(xué)分析和測定分子結(jié)構(gòu)都有很大應(yīng)用價值。如在生物化學(xué)研究中，可以利用喇曼光譜鑒別一些物質(zhì)的種類，還可以測定分子的振動轉(zhuǎn)動頻率，定量地了解分子間作用力和分子內(nèi)作用力的情況，并推斷分子的對稱性，幾何形狀、分子中原子的排列，計算熱力學(xué)函數(shù)、研究振動一轉(zhuǎn)動拉曼光譜和轉(zhuǎn)動拉曼光譜，可以獲得有關(guān)分子常數(shù)的數(shù)據(jù)。對非極性分子，因為它們沒有吸收或發(fā)射的轉(zhuǎn)動和振動光譜，振動轉(zhuǎn)動能量和對稱性等許多信息反映在散射譜中。對于極性分子，通過紅外光譜固然可以獲得不少分子參數(shù)的知識，但是為了得到更完備的資料，也往往同時觀測紅外光譜和拉曼光譜，它們具有不同的選擇定則，可以提供互補的數(shù)據(jù)。現(xiàn)在這兩種光譜相互配合已經(jīng)成為有力的研究工具。

光譜成像儀在土地利用、農(nóng)作物生長、分類，病蟲害檢測，海洋水色測量，城市規(guī)劃、石油勘探、地芯地貌及軍事目標(biāo)識別等方面也有很廣泛和深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景?？梢姽饨t外光譜范圍超光譜成像儀最廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域為植被和海洋；植被的反射光譜特征主要取決于葉片中的葉綠素含量和成份，正常生長的植物有典型的光譜形狀；當(dāng)生長不良、病蟲害、地下金屬礦物誘導(dǎo)病變等因素會引起反射強度比例變化和吸收光譜特征(0.68μm)的微小位移，這種位移的觀測要求超光譜成像儀具有優(yōu)于5nm的光譜分辨率和100以上的信噪比。在光波范圍能夠觀測水下狀況的只有可見光，其中穿透性最好的波長范圍為0.45～0.60μm(藍(lán)光至黃光)，亦被稱為“海洋窗口”。可見光超光譜成像儀可以觀測海洋中沉積性懸浮物、浮游生物、葉綠素的分布等海況，但是獲取海洋表層中懸浮體物質(zhì)在質(zhì)量和數(shù)量方面的信息時，不僅需要高光譜分辨率，而且要很高的輻射靈敏度(信噪比500以上)。

除了以上實際應(yīng)用外，目前高光譜成像儀在自然科學(xué)的大部分領(lǐng)域起著主要的作用。隨著面陣探測器陣列制造技術(shù)的進(jìn)一步提高，一些新型的成像光譜技術(shù)得到了應(yīng)用，具有這些技術(shù)的光譜儀更具有可靠性和穩(wěn)定性的特點，并且體積小、重量輕、光譜分辨率高、實時性更好、光譜范圍更寬。這種光譜成像儀將會成為新一代光譜成像儀的代表，科學(xué)研究人員也會對此類光譜儀投入更多的關(guān)注而使其得到更廣泛的應(yīng)用。

編輯：黃飛