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超光谱成像仪的设计原理和类型

发布时间:2023-06-01
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成像谱学是在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和中红外区域,获取许多非常窄且光谱连续的图像数据的技术。成像光谱仪为每个像元提供数十至数百个窄波段光谱信息,能产生一条完整而连续的光谱曲线。

成像谱学是在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和中红外区域,获取许多非常窄且光谱连续的图像数据的技术。成像光谱仪为每个像元提供数十至数百个窄波段光谱信息,能产生一条完整而连续的光谱曲线。

超光谱成像技术根据光谱分辨率(光学遥感器的性能指标之一,是指遥感器在接收目标辐射的光谱时,能分辨的最小波长间隔。这种间隔越窄,光谱分辨率越高)的不同,又可以分为多光谱型、超光谱型和超高光谱型三种,光谱分辨率在10,数量级范围的称为多光谱(MultisPectral), 而光谱分辨率在102,时称为高光谱 (Hyerspeetral); 随着光谱分辨率的进一步提高,在达到10入时,即进入超光谱(UltrasPectral)阶段。

超光谱成像的特点是光谱分辨率高,波段连续性强,能获得多光谱传感器无法获得的精细的光谱信息,由于光谱分辨率高达纳米数量级,因此遥感器在0.4~2.5p m范围内可细分成几十个,甚至几百个波段,光谱分辨率为5~10nm。由于是超多段成像,若以波长为横轴,灰度值为纵轴,超光谱图像上每一个像元点在各通道的灰度值都可以形成一条精细的光谱线,这样就构成了独特的超多维光谱空间。

根据分光的原理不同,可以将超光谱成像技术分为:棱镜光栅色散型、干涉型、滤光片型、调谐型、计算层析型、二元光学元件型、三维成像型光谱技术。下面主要介绍几种主要的成像光谱技术。


1.棱镜、光栅色散型

色散型成像光谱技术出现比较早,技术比较成熟。入射狭缝位于准直系统的前焦面上,入射辐射经准直光学系统准直后,经棱镜和光栅狭缝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。11:45色散成像光谱仪按探测器的构造,可分为线列与面阵两大类,它们分别称之为摆扫型(whiskbroom)成像光谱仪和推扫型(pushbroom)成像光谱仪,它们的原理如图所示。

 

1 摆扫型、推扫型超光谱成像仪原理


在摆扫型成像光谱仪中,线列探测器用于探测某一瞬时视场(即目标区所对应的某一空间像元)内目标点的光谱分布。扫描镜的作用是对目标表面进行横向扫描,一般空间的第二维扫描(即纵向或帧方向扫描)由运载该仪器的飞行器(卫星或飞机)的运动所完成。在某些特殊情况下,空间第二维扫描也可用扫描镜实现。一个空间像元的所有光谱分布由线列探测器同时输出。此种成像光谱仪的代表有 AVIRIS 和中等分辨率成像光谱仪(MODIS) 等。在推扫型成像光谱仪中,面阵探测器用于同时记录目标上排成一行的多个相邻像元的光谱,面阵探测器的一个方向用于记录目标的空间信息,另一个方向用于记录目标光谱信息。同样,空间第二维扫描既可由飞行器本身实现,也可使用扫描反射镜。一行空间像元的所有光谱分布由面阵探测器同时输出。此种成像光谱仪的代表有 AIS、HRIS、HIS、MODIS-T 等。


2. 干涉型成像光谱仪

干涉型成像光谱技术在获取目标的空间二维信息方面与色散型技术类似,通过摆扫或推扫对目标成像,但每个像元对应的光谱分布不是由色散元件形成,而是利用像元辐射的干涉图与其光谱图之间的傅立叶变换关系,通过探测像元辐射的干涉图和利用计算机技术对干涉图进行傅立叶变换,来获得每个像元的光谱分布。获取像元光谱干涉图的方法和技术是该类型光谱仪研究的核心问题,它决定了由其所构成的干涉成像光谱仪的使用范围及性能。目前,遥感用干涉成像光谱技术中,获取像元辐射干涉图的方法主要有三种:迈克尔逊干涉法、双折射干涉法和三角共路 (sagnac) 干涉法。基于这三种干涉方法,形成了三种典型的干涉成像光谱仪。

a. 迈克尔逊型干涉成像光谱仪

此类型干涉成像光谱仪使用迈克尔逊干涉方法,通过动镜机械扫描,产生物面像元辐射的时间序列干涉图,再对干涉图进行傅立叶变换,便得到相应物面像元辐射的光谱图。它由前置光学系统、狭缝、准直镜、分束器、动镜、静镜、成像镜和探测器等部分组成,其光学原理如图3所示。

 

2 迈克尔逊超光谱成像仪原理


分束器将入射的光线分为强度均匀的两束(反射和透射),其中反射部分射到静镜,经过静镜反射后再由成像物镜成像在探测器上;透射部分入射到动镜上,经反射历经分束板的镀银面反射向成像镜,进入探测器。这两束相干光线的光程差各不相同,在探测器上就能形成干涉图样。通过移动动镜进行调整,就可以进行不同的干涉测量。

迈克尔逊型干涉成像光谱仪的动镜和静镜主要分为平面镜、角反射体以及猫眼镜三种。平面镜的优点是对于镜子二维方向的横移无严格要求,但对镜子的倾斜度非常敏感,这方面的代表有美国的 IRIS(V)、IRIS(M)以及 ITS 等。而猫眼镜和角反射体则对镜子的倾斜无严格要求,但对横移非常敏感。这方面的代表主要有美国的 ATMOS、CIRS、欧洲的 IASI 等。由于两相干光束的最大光程差取决于动镜的最大可移动长度,所以增加动镜的最大可移动长度,可以获得很大的最大光程差,而光谱分辨力与最大光程差成正比,因此迈克尔逊型干涉成像光谱仪可以实现相当高精度的光谱测量。但它也有两个明显的缺点:(1)需要一套高精度的动镜驱动系统,在运动过程中要保持动镜运动的匀速性,并且对扰动和机械扫描精度都很敏感,这就使得光谱仪结构复杂、成本高。

(2)由于物面像元的干涉图是时间调制的,所以不能测量空间和光谱迅速发生变化的物面的光谱,只适用于空间和光谱随时间变化较慢的目标光谱图像测量,导致应用领域受到限制。

b. 双折射型干涉成像光谱仪

双折射型干涉成像光谱仪是利用双折射偏振干涉方法,在垂直于狭缝的方向同时产生物面像元辐射的整个干涉图。它由前置光学系统、狭缝、准直镜、起偏器、Wollaston 棱镜、检偏器、再成像系统和探测器等部分构成,其光学原理如图所示。

 

3 双折射干涉型超光谱成像仪原理


可以看出,前置光学系统将目标成像于入射狭缝上,然后经准直镜入射到起偏器。沿起偏器偏振方向的线偏振光入射到 Wollaston 棱镜,该棱镜将入射光分解为两束强度相等的寻常光(o光,垂直丁主平面振动)和非寻常光(e光,平行于主平面振动)。这两束振动方向垂直的线偏振光经检偏器后,变成与检偏器偏振方向一致的二线偏振光,经过再成像系统后,在探测器上就可以得到干涉图。探测器上每一行对应于入射狭缝上不同的点,这样就可以得到沿狭缝长度方向的空间分辨率。11:46    双折射型干涉成像光谱仪具有如下优点:

(1)探测器所探测的不是像元辐射中的单个窄波段成分,而是整个光谱的傅立叶变换,又因傅立叶变换的积分过程是一种“平均”过程,故有改善信噪比的作用。并且个别探测器单元的失效不会造成相应波段信息的丢失。

(2)狭缝的局度和宽度只确定成像的空间分辨力,而不影响光谱分辨力,所以光通量和视场可以较大。

(3)该装置无运动部件,结构紧凑,抗外界扰动和振动能力强。

(4)属空间调制型,实时性好,可用于测量光谱和空间变化的目标。

 双折射型干涉成像光谱仪的缺点是光谱分辨能力有限,光学系统结构复杂。

c.  三角共路型干涉成像光谱仪

三角共路(sagnac)型干涉成像光谱仪是用三角共路干涉方法,通过空间调制,产生物面的像和像元辐射的干涉图。它由前置光学系统、狭缝、分束器、反射镜、傅立叶透镜、柱面镜和探测器构成,其光学原理如图所示。

 

4 三角共路干涉型超光谱成像仪原理


可以看出,前置光学系统将被测光线聚焦于狭缝,狭缝出射的光经分束器分为反射光和透射光,再经过静镜和动镜两个反射面及分束镜反射或透射后入射到傅里叶透镜上。当动镜与静镜相对于分束器完全对称时,没有光程差,就没有干涉效应。当动镜移动,与静镜不对称时,由于存在光程差,经傅里叶透镜后就形成干涉。由于光路设置,使入射光阑置于傅里叶透镜的前焦面处,则当动镜与静镜非对称时,两束光相对于光轴向两边分开,形成相对于傅里叶透镜的两个虚物点。由虚物点发出的光束经傅里叶透镜后,变成平行光,在探测器处合束产生干涉。

三角共路型干涉成像光谱仪有如下优点:

(1)狭缝的长度和宽度只确定成像的空间分辨力,而不影响光谱分辨力光通量和视场可以较大。

(2)两束光沿相同路径反向传播,外界扰动和震动的影响自动补偿。

(3)实时性好,可测量光谱和空间变化的目标。

三角共路型干涉成像光谱仪的缺点是光谱分辨能力有限,介于迈克尔逊型干涉成像光谱仪和双折射型千涉成像光谱仪之间。

上述三种类型的干涉成像光谱仪结构不同,性能各有所长。但归根结底,都是对两束光的光程差进行时间或空间调制,在探测面处得到光谱信息。

 

5 非共线滤光可调型滤光器的结构


3. 滤光片型成像光谱仪

滤光片型成像光谱仪采用相机加滤光片的方案,原理简单,并且有很多种类,如可调谐滤光片型、光楔滤光片型等。可调谐滤光片的种类较多,包括声光可调谐滤光片(AOTF)、电光可调谐滤光片、双折射可调谐滤光片、液晶可调谐滤光片、法布里一珀罗(Fabry-Perot)可调谐滤光片等,应用在成像光谱仪上的主要有声光和液晶可调谐滤光片。

液晶调谐的调制速度较慢,波长切换时间较长,而声光调谐的调制速度较快,采用具有良好的光学性能、较高的声光品质因数和较低声光衰减的光学材料所制作的器件可以获得较好的效果。声光可调谐滤光片(AOTF)利用声光衍射原理,它的电子驱动频率与衍射波长之间具有一定关系,称为调谐关系,通过电子调节声波的频率就可以完成一定光谱范围内的光谱扫描,图6所示为非共线声光可调谐滤光器的结构。

光楔成像光谱仪包括一个安装在靠近面阵探测器的楔形多层膜介质干涉滤光片,探测器的每一行探测像元接收与滤光片透过波长对应的光谱带的能量。随着光楔滤光片工艺水平的提高,光楔成像光谱仪已开始走向实用化,美国休斯飞机公司圣巴巴拉研究中心研制的光谱仪WiS-1和 WIS-2 采用的分光元件就是光楔滤光片, NASA 的 EO-1卫星上也将搭载一台光楔成像光谱仪。

 

6 光楔高光谱成像仪


图中所示为采用光楔滤光片的成像光谱仪的基本结构,可以看出当面阵探测器的各行与各光谱带对应时,探测器的各列每次在不同的空间位置上采样,所以该探测器阵列有一个空间光谱轮廓。这种几何关系可以在推扫型遥感器设计或摆扫型遥感器设计中使用,不论在哪一种扫描方法中,每一个地面像元的光谱都是由不同时刻不同探测器像元的输出信号组合得到的。11:47    除了以上几种主要的成像光谱技术之外,其他原理不同的技术也在不断发展,典型的包括:计算机层析成像光谱技术、二元光学成像光谱技术和三维成像光谱技术,这些技术有已逐渐开始走向实际应用,有的还在研究阶段。


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