高光谱成像仪的工作原理及分光方式介绍

高光谱成像仪作为光学分析仪器，是将成像技术与光谱技术有效结合，探测目标的二维几何空间及一维光谱信息，获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据。其根据工作原理及分光方式的不同，可以分为不同的类型。本文对高光谱成像仪的工作原理及分光方式作了介绍。

高光谱成像仪的工作原理：

光谱成像获得空间维图像信息的主要方式包括固体自扫描、摆扫和推扫和三种方式。固体自扫描方式由于需要进行波段扫描，导致各波段图像不是同时获取，因此对动态目标探测时后处理较为困难，通常在机载、星载遥感仪器设计中较少采用；摆扫方式虽然能够有效的扩大视场，但是由于像元驻留时间较短，在空间分辨率和谱段数较高的情况下很难获得较高的信噪比。与摆扫式成像光谱仪相比，推帚式成像光谱仪的像元驻留时间大大增加，此外，由于无需仪器扫描的运动部件，整体体积较小，更适合空间应用。目前，为了增加像元的驻留时间，高光谱成像仪通常采用推帚式扫描。

典型的推帚式高光谱成像仪的成像原理如上图所示，系统瞬时视场内的地物经物镜成像于光谱仪的入射狭缝处，通过狭缝后由分光系统分光，最后成像于面阵探测器上。成像系统通过探测器x方向的焦面尺寸覆盖穿轨方向的一定区域范围，通过平台的运动完成沿轨方向（y方向）的扫描，最终得到完整的光谱维和空间维结合的数据立方体，如下图所示。

高光谱成像仪的分光方式：

考虑到推帚式高光谱仪的成像原理和工作特点，为了获得较高的空间分辨率和光谱分辨率，在分光方式上只能选择空间扫描型，对狭缝视场内的光进行分光成像，主要的分光方式包括棱镜分光、光栅分光和傅里叶分光。

1.棱镜色散分光

棱镜分光主要利用棱镜的色散原理，通常用于棱镜材料透过率较高的谱段。由于在红外尤其是中长波红外谱段通过率较高且适合用来制作棱镜的材料并不多，所以棱镜分光主要用于可见光和近红外波段。棱镜分光原理如下图所示。入射狭缝位于准直系统的前焦面上，入射的辐射经准直光学系统准直后，经棱镜色散后由成像系统将光能按波长顺序成像在探测器的不同位置上。棱镜分光优点是光学效率高，但由于棱镜对于光谱的色散是非线性的，而且会对光学系统引入额外的像差

2.光栅衍射分光

衍射光栅是一种光谱分光元件，其上有规则地配置着大量相等宽度、相等间隔的小狭缝。单个狭缝引起一个衍射条纹，并且从各个狭缝出射的相干波还会发生干涉，在光栅光谱仪的焦面上形成一种组合的干涉-衍射条纹，条纹极大位置与波长有关，因而光栅可以作光谱分光系统的衍射分光元件。衍射光栅按工作原理可以分为透射型和反射型，按照面型又可以分为平面、四面和凸面光栅。

3.傅里叶干涉分光

傅里叶变换光谱仪利用光谱像元干涉图与光谱图之间的傅里叶变换关系，通过测量干涉图和对干涉图进行傅里叶变换来获得物体的光谱信息。光谱像元干涉图的获取方法与技术是傅里叶变换光谱学研究的核心问题之一，决定了傅里叶变换光谱仪的使用范围和能力。目前，遥感成像傅里叶变换光谱学中，用于获取地物光谱像元干涉图的方法主要有三种：迈克尔逊干涉法、三角共路干涉法和双折射干涉法。