成像譜學(xué)是在電磁波譜的紫外、可見(jiàn)光、近紅外和中紅外區(qū)域，獲取許多非常窄且光譜連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)的技術(shù)。成像光譜儀為每個(gè)像元提供數(shù)十至數(shù)百個(gè)窄波段光譜信息，能產(chǎn)生一條完整而連續(xù)的光譜曲線。

超光譜成像技術(shù)根據(jù)光譜分辨率(光學(xué)遙感器的性能指標(biāo)之一，是指遙感器在接收目標(biāo)輻射的光譜時(shí)，能分辨的最小波長(zhǎng)間隔。這種間隔越窄，光譜分辨率越高)的不同，又可以分為多光譜型、超光譜型和超高光譜型三種，光譜分辨率在10，數(shù)量級(jí)范圍的稱為多光譜(MultisPectral)， 而光譜分辨率在102，時(shí)稱為高光譜 (Hyerspeetral)； 隨著光譜分辨率的進(jìn)一步提高，在達(dá)到10入時(shí)，即進(jìn)入超光譜(UltrasPectral)階段。

超光譜成像的特點(diǎn)是光譜分辨率高，波段連續(xù)性強(qiáng)，能獲得多光譜傳感器無(wú)法獲得的精細(xì)的光譜信息，由于光譜分辨率高達(dá)納米數(shù)量級(jí)，因此遙感器在0.4~2.5p m范圍內(nèi)可細(xì)分成幾十個(gè)，甚至幾百個(gè)波段，光譜分辨率為5~10nm。由于是超多段成像，若以波長(zhǎng)為橫軸，灰度值為縱軸，超光譜圖像上每一個(gè)像元點(diǎn)在各通道的灰度值都可以形成一條精細(xì)的光譜線，這樣就構(gòu)成了獨(dú)特的超多維光譜空間。

根據(jù)分光的原理不同，可以將超光譜成像技術(shù)分為：棱鏡光柵色散型、干涉型、濾光片型、調(diào)諧型、計(jì)算層析型、二元光學(xué)元件型、三維成像型光譜技術(shù)。下面主要介紹幾種主要的成像光譜技術(shù)。

1.棱鏡、光柵色散型

色散型成像光譜技術(shù)出現(xiàn)比較早，技術(shù)比較成熟。入射狹縫位于準(zhǔn)直系統(tǒng)的前焦面上，入射輻射經(jīng)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后，經(jīng)棱鏡和光柵狹縫色散后由成像系統(tǒng)將光能按波長(zhǎng)順序成像在探測(cè)器的不同位置上。11:45色散成像光譜儀按探測(cè)器的構(gòu)造，可分為線列與面陣兩大類，它們分別稱之為擺掃型(whiskbroom)成像光譜儀和推掃型(pushbroom)成像光譜儀，它們的原理如圖所示。

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在擺掃型成像光譜儀中，線列探測(cè)器用于探測(cè)某一瞬時(shí)視場(chǎng)(即目標(biāo)區(qū)所對(duì)應(yīng)的某一空間像元)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的光譜分布。掃描鏡的作用是對(duì)目標(biāo)表面進(jìn)行橫向掃描，一般空間的第二維掃描(即縱向或幀方向掃描)由運(yùn)載該儀器的飛行器(衛(wèi)星或飛機(jī))的運(yùn)動(dòng)所完成。在某些特殊情況下，空間第二維掃描也可用掃描鏡實(shí)現(xiàn)。一個(gè)空間像元的所有光譜分布由線列探測(cè)器同時(shí)輸出。此種成像光譜儀的代表有 AVIRIS 和中等分辨率成像光譜儀(MODIS) 等。在推掃型成像光譜儀中，面陣探測(cè)器用于同時(shí)記錄目標(biāo)上排成一行的多個(gè)相鄰像元的光譜，面陣探測(cè)器的一個(gè)方向用于記錄目標(biāo)的空間信息，另一個(gè)方向用于記錄目標(biāo)光譜信息。同樣，空間第二維掃描既可由飛行器本身實(shí)現(xiàn)，也可使用掃描反射鏡。一行空間像元的所有光譜分布由面陣探測(cè)器同時(shí)輸出。此種成像光譜儀的代表有 AIS、HRIS、HIS、MODIS-T 等。

2.?干涉型成像光譜儀

干涉型成像光譜技術(shù)在獲取目標(biāo)的空間二維信息方面與色散型技術(shù)類似，通過(guò)擺掃或推掃對(duì)目標(biāo)成像，但每個(gè)像元對(duì)應(yīng)的光譜分布不是由色散元件形成，而是利用像元輻射的干涉圖與其光譜圖之間的傅立葉變換關(guān)系，通過(guò)探測(cè)像元輻射的干涉圖和利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)干涉圖進(jìn)行傅立葉變換，來(lái)獲得每個(gè)像元的光譜分布。獲取像元光譜干涉圖的方法和技術(shù)是該類型光譜儀研究的核心問(wèn)題，它決定了由其所構(gòu)成的干涉成像光譜儀的使用范圍及性能。目前，遙感用干涉成像光譜技術(shù)中，獲取像元輻射干涉圖的方法主要有三種：邁克爾遜干涉法、雙折射干涉法和三角共路 (sagnac) 干涉法。基于這三種干涉方法，形成了三種典型的干涉成像光譜儀。

a. 邁克爾遜型干涉成像光譜儀

此類型干涉成像光譜儀使用邁克爾遜干涉方法，通過(guò)動(dòng)鏡機(jī)械掃描，產(chǎn)生物面像元輻射的時(shí)間序列干涉圖，再對(duì)干涉圖進(jìn)行傅立葉變換，便得到相應(yīng)物面像元輻射的光譜圖。它由前置光學(xué)系統(tǒng)、狹縫、準(zhǔn)直鏡、分束器、動(dòng)鏡、靜鏡、成像鏡和探測(cè)器等部分組成，其光學(xué)原理如圖3所示。

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分束器將入射的光線分為強(qiáng)度均勻的兩束(反射和透射)，其中反射部分射到靜鏡，經(jīng)過(guò)靜鏡反射后再由成像物鏡成像在探測(cè)器上；透射部分入射到動(dòng)鏡上，經(jīng)反射歷經(jīng)分束板的鍍銀面反射向成像鏡，進(jìn)入探測(cè)器。這兩束相干光線的光程差各不相同，在探測(cè)器上就能形成干涉圖樣。通過(guò)移動(dòng)動(dòng)鏡進(jìn)行調(diào)整，就可以進(jìn)行不同的干涉測(cè)量。

邁克爾遜型干涉成像光譜儀的動(dòng)鏡和靜鏡主要分為平面鏡、角反射體以及貓眼鏡三種。平面鏡的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于鏡子二維方向的橫移無(wú)嚴(yán)格要求，但對(duì)鏡子的傾斜度非常敏感，這方面的代表有美國(guó)的 IRIS(V)、IRIS(M)以及 ITS 等。而貓眼鏡和角反射體則對(duì)鏡子的傾斜無(wú)嚴(yán)格要求，但對(duì)橫移非常敏感。這方面的代表主要有美國(guó)的 ATMOS、CIRS、歐洲的 IASI 等。由于兩相干光束的最大光程差取決于動(dòng)鏡的最大可移動(dòng)長(zhǎng)度，所以增加動(dòng)鏡的最大可移動(dòng)長(zhǎng)度，可以獲得很大的最大光程差，而光譜分辨力與最大光程差成正比，因此邁克爾遜型干涉成像光譜儀可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)高精度的光譜測(cè)量。但它也有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)：(1)需要一套高精度的動(dòng)鏡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中要保持動(dòng)鏡運(yùn)動(dòng)的勻速性，并且對(duì)擾動(dòng)和機(jī)械掃描精度都很敏感，這就使得光譜儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。

(2)由于物面像元的干涉圖是時(shí)間調(diào)制的，所以不能測(cè)量空間和光譜迅速發(fā)生變化的物面的光譜，只適用于空間和光譜隨時(shí)間變化較慢的目標(biāo)光譜圖像測(cè)量，導(dǎo)致應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。

b. 雙折射型干涉成像光譜儀

雙折射型干涉成像光譜儀是利用雙折射偏振干涉方法，在垂直于狹縫的方向同時(shí)產(chǎn)生物面像元輻射的整個(gè)干涉圖。它由前置光學(xué)系統(tǒng)、狹縫、準(zhǔn)直鏡、起偏器、Wollaston 棱鏡、檢偏器、再成像系統(tǒng)和探測(cè)器等部分構(gòu)成，其光學(xué)原理如圖所示。

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可以看出，前置光學(xué)系統(tǒng)將目標(biāo)成像于入射狹縫上，然后經(jīng)準(zhǔn)直鏡入射到起偏器。沿起偏器偏振方向的線偏振光入射到 Wollaston 棱鏡，該棱鏡將入射光分解為兩束強(qiáng)度相等的尋常光(o光，垂直丁主平面振動(dòng))和非尋常光(e光，平行于主平面振動(dòng))。這兩束振動(dòng)方向垂直的線偏振光經(jīng)檢偏器后，變成與檢偏器偏振方向一致的二線偏振光，經(jīng)過(guò)再成像系統(tǒng)后，在探測(cè)器上就可以得到干涉圖。探測(cè)器上每一行對(duì)應(yīng)于入射狹縫上不同的點(diǎn)，這樣就可以得到沿狹縫長(zhǎng)度方向的空間分辨率。11:46 ???雙折射型干涉成像光譜儀具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)探測(cè)器所探測(cè)的不是像元輻射中的單個(gè)窄波段成分，而是整個(gè)光譜的傅立葉變換，又因傅立葉變換的積分過(guò)程是一種“平均”過(guò)程，故有改善信噪比的作用。并且個(gè)別探測(cè)器單元的失效不會(huì)造成相應(yīng)波段信息的丟失。

(2)狹縫的局度和寬度只確定成像的空間分辨力，而不影響光譜分辨力，所以光通量和視場(chǎng)可以較大。

(3)該裝置無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)緊湊，抗外界擾動(dòng)和振動(dòng)能力強(qiáng)。

(4)屬空間調(diào)制型，實(shí)時(shí)性好，可用于測(cè)量光譜和空間變化的目標(biāo)。

?雙折射型干涉成像光譜儀的缺點(diǎn)是光譜分辨能力有限，光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

c.? 三角共路型干涉成像光譜儀

三角共路(sagnac)型干涉成像光譜儀是用三角共路干涉方法，通過(guò)空間調(diào)制，產(chǎn)生物面的像和像元輻射的干涉圖。它由前置光學(xué)系統(tǒng)、狹縫、分束器、反射鏡、傅立葉透鏡、柱面鏡和探測(cè)器構(gòu)成，其光學(xué)原理如圖所示。

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可以看出，前置光學(xué)系統(tǒng)將被測(cè)光線聚焦于狹縫，狹縫出射的光經(jīng)分束器分為反射光和透射光，再經(jīng)過(guò)靜鏡和動(dòng)鏡兩個(gè)反射面及分束鏡反射或透射后入射到傅里葉透鏡上。當(dāng)動(dòng)鏡與靜鏡相對(duì)于分束器完全對(duì)稱時(shí)，沒(méi)有光程差，就沒(méi)有干涉效應(yīng)。當(dāng)動(dòng)鏡移動(dòng)，與靜鏡不對(duì)稱時(shí)，由于存在光程差，經(jīng)傅里葉透鏡后就形成干涉。由于光路設(shè)置，使入射光闌置于傅里葉透鏡的前焦面處，則當(dāng)動(dòng)鏡與靜鏡非對(duì)稱時(shí)，兩束光相對(duì)于光軸向兩邊分開(kāi)，形成相對(duì)于傅里葉透鏡的兩個(gè)虛物點(diǎn)。由虛物點(diǎn)發(fā)出的光束經(jīng)傅里葉透鏡后，變成平行光，在探測(cè)器處合束產(chǎn)生干涉。

三角共路型干涉成像光譜儀有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)狹縫的長(zhǎng)度和寬度只確定成像的空間分辨力，而不影響光譜分辨力光通量和視場(chǎng)可以較大。

(2)兩束光沿相同路徑反向傳播，外界擾動(dòng)和震動(dòng)的影響自動(dòng)補(bǔ)償。

(3)實(shí)時(shí)性好，可測(cè)量光譜和空間變化的目標(biāo)。

三角共路型干涉成像光譜儀的缺點(diǎn)是光譜分辨能力有限，介于邁克爾遜型干涉成像光譜儀和雙折射型千涉成像光譜儀之間。

上述三種類型的干涉成像光譜儀結(jié)構(gòu)不同，性能各有所長(zhǎng)。但歸根結(jié)底，都是對(duì)兩束光的光程差進(jìn)行時(shí)間或空間調(diào)制，在探測(cè)面處得到光譜信息。

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3. 濾光片型成像光譜儀

濾光片型成像光譜儀采用相機(jī)加濾光片的方案，原理簡(jiǎn)單，并且有很多種類，如可調(diào)諧濾光片型、光楔濾光片型等?？烧{(diào)諧濾光片的種類較多，包括聲光可調(diào)諧濾光片(AOTF)、電光可調(diào)諧濾光片、雙折射可調(diào)諧濾光片、液晶可調(diào)諧濾光片、法布里一珀羅(Fabry-Perot)可調(diào)諧濾光片等，應(yīng)用在成像光譜儀上的主要有聲光和液晶可調(diào)諧濾光片。

液晶調(diào)諧的調(diào)制速度較慢，波長(zhǎng)切換時(shí)間較長(zhǎng)，而聲光調(diào)諧的調(diào)制速度較快，采用具有良好的光學(xué)性能、較高的聲光品質(zhì)因數(shù)和較低聲光衰減的光學(xué)材料所制作的器件可以獲得較好的效果。聲光可調(diào)諧濾光片(AOTF)利用聲光衍射原理，它的電子驅(qū)動(dòng)頻率與衍射波長(zhǎng)之間具有一定關(guān)系，稱為調(diào)諧關(guān)系，通過(guò)電子調(diào)節(jié)聲波的頻率就可以完成一定光譜范圍內(nèi)的光譜掃描，圖6所示為非共線聲光可調(diào)諧濾光器的結(jié)構(gòu)。

光楔成像光譜儀包括一個(gè)安裝在靠近面陣探測(cè)器的楔形多層膜介質(zhì)干涉濾光片，探測(cè)器的每一行探測(cè)像元接收與濾光片透過(guò)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光譜帶的能量。隨著光楔濾光片工藝水平的提高，光楔成像光譜儀已開(kāi)始走向?qū)嵱没?，美?guó)休斯飛機(jī)公司圣巴巴拉研究中心研制的光譜儀WiS-1和 WIS-2 采用的分光元件就是光楔濾光片， NASA 的 EO-1衛(wèi)星上也將搭載一臺(tái)光楔成像光譜儀。

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圖中所示為采用光楔濾光片的成像光譜儀的基本結(jié)構(gòu)，可以看出當(dāng)面陣探測(cè)器的各行與各光譜帶對(duì)應(yīng)時(shí)，探測(cè)器的各列每次在不同的空間位置上采樣，所以該探測(cè)器陣列有一個(gè)空間光譜輪廓。這種幾何關(guān)系可以在推掃型遙感器設(shè)計(jì)或擺掃型遙感器設(shè)計(jì)中使用，不論在哪一種掃描方法中，每一個(gè)地面像元的光譜都是由不同時(shí)刻不同探測(cè)器像元的輸出信號(hào)組合得到的。11:47 ???除了以上幾種主要的成像光譜技術(shù)之外，其他原理不同的技術(shù)也在不斷發(fā)展，典型的包括：計(jì)算機(jī)層析成像光譜技術(shù)、二元光學(xué)成像光譜技術(shù)和三維成像光譜技術(shù)，這些技術(shù)有已逐漸開(kāi)始走向?qū)嶋H應(yīng)用，有的還在研究階段。