8.1光譜成像儀的分類8.2光譜成像儀的基本性能參數(shù)8.3直接分光型光譜成像儀8.4傅里葉變換型光譜成像儀8.5計(jì)算成像型光譜成像儀8.1光譜成像儀的分類光譜成像儀是在20世紀(jì)80年代中期,根據(jù)多光譜掃描儀和紅外行掃描儀等遙感儀的基本原理發(fā)展起來的,具有精細(xì)分光和掃描成像兩種功能。它的基本原理是:在掃描成像原理的基礎(chǔ)上,將成像輻射的波段劃分成更狹窄的多個波段同時成像,從而獲得同一景物的多個光譜波段的圖像。圖81表示了光譜成像技術(shù)的基本概念。1.按照光譜分辨率劃分按照光譜分辨率的不同,光譜成像儀主要分為多光譜型、高光譜型和超光譜型三種,如圖82所示。圖83給出了四種不同掃描方式的工作示意圖。3.按照光譜維信息獲取方式劃分按照光譜維信息獲取方式和重構(gòu)方法的不同,光譜成像儀主要分為直接分光型、傅里葉變換型和計(jì)算成像型三種。表82給出了幾種不同分光方式的光譜成像技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時,可根據(jù)使用條件和指標(biāo)要求選擇合理的分光方式。8.2光譜成像儀的基本性能參數(shù)8.2.1光譜成像數(shù)據(jù)的表達(dá)1.光譜成像信息集———光譜圖像立方體在通常二維圖像信息的基礎(chǔ)上添加光譜維,就可以形成三維的坐標(biāo)空間。如果把光譜圖像的每個波段數(shù)據(jù)都看成是一個層面,將光譜成像數(shù)據(jù)整體表達(dá)到該坐標(biāo)空間,就會形成一個擁有多個層面、按波段順序疊合構(gòu)成的數(shù)據(jù)(圖像)立方體。設(shè)圖像灰度值為DN,可以簡單定義構(gòu)成光譜圖像立方體的三維;空間方向維X,空間方向維Y,光譜波段維Z,其構(gòu)成坐標(biāo)系如圖84所示。為了簡化處理,假設(shè)圖像立方體的各個層面是“不透明”的,只能看到立方體的表面。圖像立方體共有六個表面,最多可以同時看見三個表面。這六個表面又可分成兩類;①空間直線X與空間直線Y決定的空間平面,即OXY平面;②空間維與波段維構(gòu)成的平面,即OXZ平面和OYZ平面。OXY平面的圖像與傳統(tǒng)的圖像是相同的,它可以是黑白灰度圖像,反映某一個波段的信息;或者是三個波段的彩色合成圖像,同時表達(dá)三個波段的合成信息,這時三個波段可以根據(jù)需要任意選擇以突出某方面的信息。OXZ平面和OYZ平面的圖像則與傳統(tǒng)圖像不盡相同,它們反映的不是物體特征的二維空間分布,而是某一條直線上的物體光譜信息。從直觀上說,是光譜成像數(shù)據(jù)立方體在光譜維上的切面。因?yàn)閳D像立方體是“不透明”的,不能看見立方體內(nèi)部,所以在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時可以增加選擇功能,由用戶任意選擇立方體內(nèi)部的任意切面來顯示。光譜成像切面是一單色平面,該切面數(shù)據(jù)反映了各波段的輻射能量,不能顯示出圖像的光譜特征?？紤]到人對彩色的敏感程度更高,采用密度分割的方法,給各灰度級賦予不同的色彩值,可將光譜切面的灰度圖轉(zhuǎn)換成彩色圖,再用一個與256級的彩色查找表來完成DN值到彩色的轉(zhuǎn)換。2.二維光譜信息表達(dá)———光譜曲線對于某一點(diǎn)的光譜特征最直觀的表達(dá)方式就是二維的光譜曲線。如果已知某一點(diǎn)的反射率(或發(fā)射率)數(shù)據(jù)為r(i),i=1,2,…,N,i為光譜的波段序號,對應(yīng)每一波段的波長數(shù)據(jù)為λ(i),i=1,2,…,N,用直角坐標(biāo)系表示光譜數(shù)據(jù),橫軸表示波長,縱軸表示反射率,則光譜的吸收特征可以從曲線的極小值獲得。在顯示曲線時,須將波段序號轉(zhuǎn)換到光譜波長值,映射到水平軸上。由于成像光譜圖像的波段數(shù)有限,因此光譜曲線只是一些離散的樣點(diǎn),通過這些樣點(diǎn)再現(xiàn)光譜曲線需進(jìn)行插值,最簡單也最常用的插值方法是線性插值,即用折線連接樣點(diǎn)構(gòu)成光譜曲線。然而,這樣連成的曲線不夠光滑,特別是在波段數(shù)較少時尤為明顯,如果要獲得光滑的曲線,就要采用三次樣條插值或其他方法。3.三維光譜信息表達(dá)———光譜曲面圖二維光譜圖只能表示某一像元物體的特征,反映的信息量較少,不利于對整個成像光譜、圖像光譜特征的整體表達(dá)。為了同時表達(dá)出更多的光譜信息,選取一簇光譜曲線,構(gòu)成三維空間的曲面,用投影方式顯示在二維平面上,形成三維光譜曲面圖。8.2.2光譜成像儀的主要性能參數(shù)1.光譜分辨率光譜分辨率是指光譜成像儀在波長方向上的記錄寬度,又稱波段寬度,表示儀器對物體光譜的探測能力,包括探測波譜的寬度、波段數(shù)、各波段的波長范圍和間隔。2.空間分辨率對于光譜成像儀,其空間分辨率是由系統(tǒng)的角分辨力(即系統(tǒng)的瞬時視場角)決定的。3.輻射分辨率輻射分辨率是指光譜成像儀接收波譜信號時能分辨的最小輻射度差。4.時間分辨率時間分辨率指對同一地點(diǎn)進(jìn)行采樣的時間間隔,也稱重訪周期。5.凝視時間探測器的瞬時視場角掃過地面分辨單元的時間稱為凝視時間,其大小為行掃描時間與每行像元數(shù)的比值。6.信噪比信噪比是光譜成像儀采集到的信號與噪聲的比值。8.3直接分光型光譜成像儀8.3.1色散型光譜成像儀色散型光譜成像技術(shù)出現(xiàn)得比較早,技術(shù)比較成熟,它利用色散元件(一般是棱鏡或光柵)使入射的復(fù)色光在一個方向上散開,再通過成像鏡成像,實(shí)現(xiàn)光譜圖像的采集。一般色散型光譜成像系統(tǒng)由前置物鏡、狹縫、準(zhǔn)直物鏡、色散元件、成像鏡和陣列探測器等組成,如圖85所示。入射狹縫位于準(zhǔn)直系統(tǒng)的前焦面上,入射的輻射經(jīng)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直,再經(jīng)棱鏡或光柵色散后由成像系統(tǒng)將光能按波長順序成像在不同位置的陣列探測器上。根據(jù)所采用的探測器類型,色散型光譜成像儀可以分為擺掃式光譜成像儀和推掃式光譜成像儀。擺掃式光譜成像儀的工作原理如圖86所示。推掃式光譜成像儀的工作原理如圖88所示。8.3.2濾光片型光譜成像儀采用濾光片作為分光元件的光譜成像技術(shù)可有多種實(shí)現(xiàn)方式,如由普通的窄帶濾光片組合而成的濾光片輪、濾光片陣列(FA)、線性漸變?yōu)V光片(LVF)、聲光可調(diào)諧濾光片(AOTF)、液晶可調(diào)諧濾光片(LCTF)等,其中濾光片輪、LCTF、AOTF主要用于凝視式成像,FA用于視窗式成像,LVF用于推掃式成像。圖813是幾種濾光片器件的實(shí)物圖。濾光片輪通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),每次更換濾光片直接插入到光路中,循環(huán)轉(zhuǎn)動濾光片輪就可以得到目標(biāo)的多光譜圖像。濾光片陣列是在一塊基片上同時鍍制若干個條帶的窄帶濾光膜,放置于探測器靶面附近?？芍苯訉V光片陣列作為探測器的保護(hù)玻璃使用。探測器的行精確匹配濾光片的一個通道,使得該行接收到的輻射僅為特定窄譜段的目標(biāo)輻射,由此將目標(biāo)區(qū)域分割成不同光譜的子圖像,再通過推掃獲得完整的多光譜圖像(見圖814)。8.4傅里葉變換型光譜成像儀傅里葉變換型光譜成像技術(shù),又稱干涉光譜成像技術(shù),是一種間接光譜成像技術(shù),利用干涉圖和光譜圖之間的傅里葉變換關(guān)系,通過采集目標(biāo)的干涉圖,再經(jīng)過傅里葉變換反演出目標(biāo)的光譜圖。由于采用了積分變換的方法進(jìn)行調(diào)制,傅里葉變換型光譜成像儀能夠同時記錄所有譜元的信息,其光譜數(shù)據(jù)形式如圖826所示,同時,利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理能力,可獲得信噪比更高、光譜分辨率更高的信息。相比于傳統(tǒng)的色散型光譜成像技術(shù),干涉方法測量光譜具有多通道、高通量、高測量精度等優(yōu)點(diǎn)。除上述幾點(diǎn)外,傅里葉變換型光譜成像儀能適應(yīng)很寬的光譜范圍(受限于探測器的光譜響應(yīng)范圍和光學(xué)材料的性質(zhì)),同時也是目前將光譜范圍和光譜分辨率融合得最好的光譜成像儀。傅里葉變換型光譜成像儀主要利用邁克爾遜干涉原理,從原理上可以分為時間調(diào)制型、空間調(diào)制型和時空聯(lián)合調(diào)制型三種。顧名思義,時間調(diào)制型光譜成像儀是通過干涉儀中動鏡的運(yùn)動產(chǎn)生不同的光程差,以時間積分的方式記錄所有不同光程差下對應(yīng)的不同干涉級次的干涉圖(條紋)信號,而探測器某一時刻上獲取的是所有目標(biāo)在同一光程差處的強(qiáng)度圖像?？臻g調(diào)制型光譜成像儀是通過剪切干涉儀中剪切分束器產(chǎn)生不同的光程差,并在沿一定空間方向的不同位置上產(chǎn)生同一目標(biāo)的不同干涉級次的干涉圖,而在其垂直方向?qū)?yīng)不同空間目標(biāo);此時一般采用面陣探測器采樣,在某一時刻上獲取的是相應(yīng)不同目標(biāo)在不同光程差處的干涉強(qiáng)度圖像。與空間調(diào)制型光譜成像儀的原理相似,時空聯(lián)合調(diào)制型光譜成像儀同樣利用剪切干涉儀中剪切分束器產(chǎn)生不同的光程差,不同之處在于某一時刻在其沿一定空間方向的不同位置上產(chǎn)生不同目標(biāo)的不同干涉級次的干涉圖,對同一目標(biāo)(成像到探測器某一點(diǎn))則只產(chǎn)生單個干涉級次的干涉圖;通過掃描目標(biāo)的全部視場,獲得所有不同目標(biāo)的不同級次的干涉圖。8.4.1時間調(diào)制型光譜成像儀時間調(diào)制型光譜成像儀通過對雙光束干涉儀產(chǎn)生的干涉圖進(jìn)行傅里葉變換數(shù)值計(jì)算來測定光譜圖。1.干涉圖與光譜圖傅里葉變換型光譜成像技術(shù)的基礎(chǔ)是傅里葉變換光譜學(xué),最為經(jīng)典的傅里葉變換型光譜成像儀就是邁克爾遜干涉儀。邁克爾遜干涉儀通常由前置鏡組、分束器、動鏡、定鏡、成像鏡和探測器等組成,如圖827所示。2.儀器線型函數(shù)在理論上,人們可以測量(0,+∞)cm-1且分辨率無限高的光譜,然而這就要求干涉儀的動鏡必須掃描無限長的距離,而實(shí)際上,動鏡只能在(-L,+L)有限的范圍內(nèi)移動,所以我們只能測量到某一有限的極大光程差L,則傅里葉變換型光譜成像儀的光譜被截?cái)酁槠渲?T(x)稱為截?cái)嗪瘮?shù),一般是一個矩形函數(shù):T(x)表示截取(-L,+L)區(qū)間內(nèi)的干涉圖來復(fù)原光譜,而這一區(qū)間外的干涉圖全部賦值為零。由于截?cái)嗪瘮?shù)的影響,此時的復(fù)原光譜不再是原光譜B(ν),而是原光譜B(ν)與截?cái)嗪瘮?shù)T(x)的傅里葉變換函數(shù)F-1[T(x)]的卷積:其中稱為儀器線型函數(shù)ILS(InstrumentLineShape)或光譜掃描函數(shù)。3.分辨率分辨率是光譜成像儀最重要的質(zhì)量指標(biāo)之一,它表示儀器能夠分開兩條最靠近的譜線的能力。最常用的分辨率判據(jù)是瑞利判據(jù)和半高寬判據(jù)。4.干涉圖采樣前面的分析表明,我們只能在(-L,+L)有限區(qū)間內(nèi)對干涉圖進(jìn)行傅里葉變換。事實(shí)上,在(-L,+L)有限區(qū)間內(nèi),也無法用無限小的間隔來采樣不同光程差的干涉圖,而只能用有限大小的間隔Δx,并進(jìn)行傅里葉變換。在最大光程差范圍內(nèi),若以Δx的光程差間隔進(jìn)行采樣,則相當(dāng)于得到離散光強(qiáng):其中,comb()是梳狀函數(shù),是一系列脈沖函數(shù)的級數(shù)和,即為避免光譜信息損失,減小復(fù)原譜畸變和提高計(jì)算效率,在傅里葉變換運(yùn)算過程中,選取合適大小的采樣間隔Δx十分重要。對于波數(shù)范圍為νmin~νmax的輸入光譜,根據(jù)奈奎斯特(Nyquist)采樣定理,干涉圖采樣間隔應(yīng)滿足:當(dāng)被研究光譜波數(shù)下限不為零時,干涉圖采樣間隔可以比式(850)大。采樣間隔必須滿足更為一般的條件:5.相位誤差影響在傅里葉變換光譜學(xué)中,研究某一光譜源時,某光程差為零的位置選為Δ=0或波長的整數(shù)倍均可,但是,研究復(fù)色光源時則必須將零點(diǎn)選在光程差為零的位置。因?yàn)閺?fù)原光譜是由干涉圖的傅里葉積分變換得到的,即或其中T(x)為切趾函數(shù),故由式(852)或式(853)可知,由干涉圖計(jì)算得到復(fù)原光譜時必須知道零光程差的準(zhǔn)確位置,否則計(jì)算得到的光譜將是失真的畸變光譜。然而,在實(shí)際情況下,在讀出干涉圖或者數(shù)字化干涉圖的過程中,事先無法預(yù)知零光程差的位置,從而難以保證正好從x=0處的零光程差開始,而是一般都存在一個零位相位誤差ε。干涉圖的相位誤差也有其他諸多產(chǎn)生因素,如不同波長可能導(dǎo)致干涉圖的相位色散,因而難以唯一地確定零光程差點(diǎn)。又由于采樣間隔的不均勻和非對稱采樣,探測器光譜響應(yīng)的不一致等,都會導(dǎo)致干涉圖的非對稱性,使計(jì)算光譜時出現(xiàn)困難。干涉儀的光學(xué)準(zhǔn)直性不可能是完全理想的,分束器也存在吸收損耗,從而也會導(dǎo)致干涉圖出現(xiàn)一定程度的非均勻性和相位誤差,并且可能是非線性的相位誤差。對存在零位誤差的雙邊干涉圖來說,即干涉圖的有效采樣范圍為從-L到+L的區(qū)間,對之進(jìn)行傅里葉變換,則不需要關(guān)于零位位置的準(zhǔn)確信息,就可以消除相位誤差,獲得正確的復(fù)原光譜。6.技術(shù)優(yōu)勢(1)高光譜分辨率是通過雙光束干涉儀中動鏡運(yùn)動產(chǎn)生大的光程差來實(shí)現(xiàn)的。理論上,動鏡運(yùn)動的有效行程越大,產(chǎn)生的光程差越大,儀器的光譜分辨率也越高。(2)高波數(shù)準(zhǔn)確度是使用激光干涉條紋來高精度地測量動鏡的位移,可以消除復(fù)原光譜中出現(xiàn)的“鬼線”,從而使傅里葉變換型光譜成像儀比常規(guī)分光計(jì)測定的波數(shù)更為準(zhǔn)確。(3)高信噪比除了與高通量有關(guān)外,還與動鏡的運(yùn)動相關(guān)。由于動鏡以V/2速度移動時,使波數(shù)為ν的干涉光強(qiáng)調(diào)制為頻率為2πVν的電信號,再考慮嚴(yán)格的分束過程,其他來源或頻率的光被同樣調(diào)制的可能性很小。7.技術(shù)分類按照動鏡運(yùn)動和產(chǎn)生光程差的方式不同,時間調(diào)制型光譜成像儀可主要分為直線運(yùn)動式、擺動運(yùn)動式、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動式干涉儀。8.4.2空間調(diào)制型光譜成像儀為了克服時間調(diào)制型光譜成像技術(shù)中精密動鏡系統(tǒng)帶來的技術(shù)困難,20世紀(jì)80年代后期,人們開始對靜態(tài)傅里葉變換光譜成像技術(shù)進(jìn)行研究。20世紀(jì)90年代,隨著面陣探測器的發(fā)展,國際上出現(xiàn)了空間調(diào)制型傅里葉變換光譜技術(shù)的概念?？臻g調(diào)制型光譜成像儀的主要組成部分有前置透鏡、入射狹縫、準(zhǔn)直透鏡、分束器、傅里葉變換透鏡、柱面鏡和探測器等,如圖843所示。8.4.3時空聯(lián)合調(diào)制型光譜成像儀時空聯(lián)合調(diào)制型光譜成像儀(即大孔徑靜態(tài)干涉光譜成像儀)是在普通照相系