成像光譜儀的原理與應(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(cè)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(shí)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(dòng)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(shì)，在空間對(duì)地觀測(cè)的同時(shí)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(shí)別地球表面物質(zhì)的目的，成為遙感領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)，正在成為當(dāng)代空間對(duì)地觀測(cè)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(jiǎn)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(cè)物體空間特征的同時(shí)并對(duì)每個(gè)空間像元色散形成幾十個(gè)到上百個(gè)波段帶寬為10nm左右的連續(xù)光譜覆蓋。根據(jù)成像光譜儀的掃描方式，其工作原理也不盡相同，作為光學(xué)成像儀成像的一個(gè)例子，這里簡(jiǎn)述一下焦平面探測(cè)器推掃成像原理。

1.1 系統(tǒng)工作原理

焦平面探測(cè)器推掃成像原理見圖1。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(qiáng)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(huì)聚鏡會(huì)聚成像在傳感器使用的二維CCD面陣列探測(cè)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(gè)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(gè)空間采樣視場(chǎng)(像元)光譜色散的像。這樣，面陣探測(cè)器每幀圖像數(shù)據(jù)就是一個(gè)穿軌方向地物條帶的光譜數(shù)據(jù)，加上航天器的運(yùn)動(dòng)，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。

圖1.光譜成像儀數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)

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(hào)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(jī)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??；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(gè)領(lǐng)域，對(duì)于純定性到高度定量的化學(xué)分析和測(cè)定分子結(jié)構(gòu)都有很大應(yīng)用價(jià)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(cè)定分子的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)稱性，幾何形狀、分子中原子的排列，計(jì)算熱力學(xué)函數(shù)、研究振動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼光譜和轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼光譜，可以獲得有關(guān)分子常數(shù)的數(shù)據(jù)。對(duì)非極性分子，因?yàn)樗鼈儧]有吸收或發(fā)射的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)光譜，振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能量和對(duì)稱性等許多信息反映在散射譜中。對(duì)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(shí)，但是為了得到更完備的資料，也往往同時(shí)觀測(cè)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(bǔ)的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在這兩種光譜相互配合已經(jīng)成為有力的研究工具。

圖2. 光譜成像儀數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

光譜成像儀在土地利用、農(nóng)作物生長(zhǎng)、分類，病蟲害檢測(cè)，海洋水色測(cè)量，城市規(guī)劃、石油勘探、地芯地貌及軍事目標(biāo)識(shí)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?yàn)橹脖缓秃Ｑ?；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(zhǎng)的植物有典型的光譜形狀；當(dāng)生長(zhǎng)不良、病蟲害、地下金屬礦物誘導(dǎo)病變等因素會(huì)引起反射強(qiáng)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(cè)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(cè)水下狀況的只有可見光，其中穿透性最好的波長(zhǎng)范圍為0.45～0.60μm(藍(lán)光至黃光)，亦被稱為“海洋窗口”?？梢姽獬庾V成像儀可以觀測(cè)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(shí)，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)。

審核編輯黃宇