光譜成像技術(shù)分類及應(yīng)用

光譜成像技術(shù)是一類將成像技術(shù)和光譜技術(shù)相結(jié)合的新型多維信息獲取技術(shù)，能探測獲得被測目標(biāo)的二維空間信息和一維光譜信息構(gòu)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(shù)分類

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

光譜成像技術(shù)的分類標(biāo)準(zhǔn)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(shù)。色散型光譜成像技術(shù)和干涉型光譜成像技術(shù)都是通過推掃或擺掃的方式獲得目標(biāo)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(yīng)來設(shè)置合適的曝光時間，從而獲得最大的信噪比。

1）色散型成像光譜儀

·色散棱鏡分光技術(shù)

色散棱鏡是光譜成像中最常用、最簡單的分光元件，上圖是色散棱鏡在光譜成像儀中的典型應(yīng)用。如圖所示，入射狹縫位于準(zhǔn)直系統(tǒng)的前焦面上，入射光經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)后，經(jīng)棱鏡由成像系統(tǒng)將狹縫按波長成像在焦平面探測器上。

·衍射光柵分光技術(shù)

衍射光柵的應(yīng)用方法和色散棱鏡一樣，入射狹縫位于準(zhǔn)直系統(tǒng)前焦面上，入射光經(jīng)準(zhǔn)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(zhǔn)直系統(tǒng)直接入射到光柵上，經(jīng)光柵衍射后可得到目標(biāo)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(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到OrbView-4衛(wèi)星的戰(zhàn)術(shù)遙感器的概念設(shè)計中。

目前國際上比較成熟的機(jī)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(jìn)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(shè)備。

·二元分光元件分光技術(shù)

二元光學(xué)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(jìn)行掃描，每一位置對應(yīng)相應(yīng)波長的成像區(qū)。二元光學(xué)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(xué)元件沿軸線色散，采用二元光學(xué)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(jié)構(gòu)成像光譜儀結(jié)構(gòu)緊湊，衍射效率高。

·聲光可調(diào)諧濾光片分光技術(shù)

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(dāng)復(fù)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(yīng)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。

2）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(dǎo)致探測靈敏度很低。隨著成像光譜儀的技術(shù)指標(biāo)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(diǎn)，能夠滿足不斷提高的應(yīng)用需求，逐漸成為成像光譜技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

干涉成像光譜儀的主要分光技術(shù)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(jìn)而發(fā)生干涉的技術(shù)。除了以上的雙光束干涉技術(shù)，還有基于多光束干涉的分光技術(shù)。

3）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(jī)曝光一次，系統(tǒng)記錄下該波段的二維圖像信息，然后在設(shè)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(wù)，獲得最終的光譜數(shù)據(jù)立方體。

光譜成像技術(shù)的應(yīng)用

光譜成像技術(shù)是光譜分析技術(shù)和圖像分析技術(shù)的完美結(jié)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(jìn)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(biāo)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(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

光譜成像技術(shù)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(biāo)光譜信息更加精細(xì)，在軍事、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、資源勘探、地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域的應(yīng)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(xì)分類、目標(biāo)檢測和變化檢測上頭體現(xiàn)出較強(qiáng)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(biāo)和偽裝目標(biāo)，在沙漠背景下快速檢測出戰(zhàn)術(shù)小目標(biāo)。

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(kuò)展到植被生態(tài)學(xué)、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(xì)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(xué)污染的情況。精細(xì)光譜成像已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，學(xué)者們利用精細(xì)光譜成像技術(shù)更加微觀的尺度上定量化地在進(jìn)行物質(zhì)機(jī)理探測研究。

審核編輯：黃飛