高光谱成像几种常见分光方式及其原理

到目前为止，谱段分离的方法有三种，分别是滤波片分光、干涉分光和色散分光。按照这三种方法，光谱成像仪的分光方式可分为：滤波片型、干涉型、色散型。本文对滤波片型、干涉型、色散型光谱成像仪的原理做了介绍。

滤波片型光谱成像仪原理：

滤波片型光谱成像仪一般采用凝视型数据采集方式。滤波片型光谱成像仪结构比较简单，主要是通过在传统成像系统中加入带通滤波片来进行分光，可以一次性截取数据立方体的一个谱段，通过改变滤波片的中心波长可以获取整个数据立方体。但是，滤波片型光谱成像仪的成像波段受到滤波片数量和技术参数的限制，只能截取有限谱段的数据，且一般光谱精度较低。为了增加光谱仪的谱段数量及其精度，利用声光可调谐滤波片（AOFT）和液晶可调谐滤光片（LCFT）可通过外加电调节来改变滤波片输出波长的特点，可在光谱成像仪中利用AOFTs和 LCFTs代替传统染色带通滤波片。对一个较宽的波长范围进行波长维的扫描，滤波片型光谱成像仪需要的扫描时间较长，如果成像目标移动就会导致在某些像素上的光谱的混叠。因此，要得到精确的光谱数据，滤波片型光谱成像仪只能对静止目标成像。

干涉型光谱成像仪原理：

干涉型光谱成像仪主要基于迈克尔逊干涉仪结构，从物平面发出的光束经过透镜准直并分为两束，分别通过一个固定反射镜和一个可移动反射镜反射，并经过第二个透镜聚焦在像平面并发生干涉。在像平面上每一个探测器像所采集的光强都是两束光干涉的结果，改变可移动反射镜的位置就可以对不同波长进行干涉测量，对一系列干涉测量值进行傅里叶变换就得到光谱信息。总的来说，干涉型光谱成像仪构造的是每个像素点干涉光强傅里叶变换和可移动反射镜位置之间的函数关系，因此干涉型光谱成像仪又称傅里叶变换光谱成像仪。傅里叶变换光谱成像系统中没有狭缝，因此相比引入狭缝的传统推扫型光谱成像仪，该系统有更高的信噪比（SNR），常在光强较弱的应用中被使用。但是，由于系统内部需要对可移动反射镜进行移动，所以需要机械移动部件，降低了傅里叶变换光谱成像系统的稳定性，限制了该系统的应用。

色散型光谱成像仪原理：

色散型光谱成像仪是基于色散型的光谱仪，利用光栅或棱镜等色散元件将来自于成像区域较小的空间范围（如很窄的线性区域）内的光按照波长分开并进行采样，最后通过扫描整个成像区域来获得二维空间信息。根据扫描方式的不同，色散型光谱成像仪可以分为掸扫型和推扫型。

掸扫型光谱成像仪一个时刻只对一个像素位置的信号进行采集，经过色散分光后由线阵探测器接收。掸扫型光谱成像系统需要在x、y方向都进行扫描才能获得完整的二维空间信息，一般x方向上的扫描通过旋转扫描反射镜完成，y方向则是由系统整个平移来完成。因此，x、y方向的扫描速度需要匹配才能避免对某一空间位置重复测量而干扰成像结果。掸扫型光谱成像仪的最大缺点是需要长时间的扫描才能完成对一幅图像的测量，且由于一次只有一个像素信号进入成像仪，导致掸扫型光谱成像仪的信号收集效率很低。

在掸扫型光谱成像仪基础上又发展出推扫型光谱成像仪。推扫型光谱成像仪使用二维面阵探测器，主要由成像物镜、入射狭缝、准直镜、色散元件、聚焦透镜和二维探测器阵列组成。推扫型光谱成像仪的工作方式可以描述为：物体发出的光由成像镜成像在入射狭缝上，入射狭缝截取一行信号经准直镜后由色散元件在空间上按光谱展开，不同波长的信号由聚焦透镜聚焦在探测不同位置由探测器记录下来，经过推扫，获得完整的二维空间信息。与掸扫型光谱成像仪相比，不需要在x方向扫描，而是通过一个入射狭缝一次性对一行像元进行探测，在y方向的扫描通过载具（机载或星载）的移动完成，推扫式光谱成像仪增加了探测器的积分时间，因此图像信噪比和光谱分辨力都得到了提高。