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高光谱成像仪常用的分光方式有几种类型?

发布时间:2023-06-09
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高光谱成像仪​也称成像光谱仪,实质上是将二维影像和地物光谱测量结合起来的图谱合一的遥感技术,其光谱分辨率高达纳米数量级。本文对高光谱成像仪成像方式的类型做了简要的介绍,对此感兴趣的朋友可以了解一下!

高光谱成像仪也称成像光谱仪,实质上是将二维影像和地物光谱测量结合起来的图谱合一的遥感技术,其光谱分辨率高达纳米数量级。本文对高光谱成像仪成像方式的类型做了简要的介绍,对此感兴趣的朋友可以了解一下!

高光谱成像仪

高光谱成像仪的光学系统一般由成像光学和光谱分光两部分组成,前者完成对目标的空间几何成像,后者完成光谱维扫描或光谱波段分割,实现光谱的细分。例如,一个MXN二维传感器安装在高光谱成像仪的色散维度焦平面上,其中一维M元探测器对应于成像系统的空间狭缝,形成空间维M个像点的成像,另一维N元探测器就形成了N个光谱波段的探测,合起来就是一个M个成像像素、N个波段的成像光谱仪。

相比于其他类型的光电系统,高光谱成像仪的最大特色在于它的光谱分光系统,各种类型的成像光谱仪也因分光方式的不同而特点各异。下文对高光谱成像仪较为常用的几类分光方式进行了介绍。


光栅分光

光栅分光是利用了光学衍射的基本原理。最基本的透射型衍射光栅由大量相等大小、相等间隔的小狭缝组成,单个狭缝引起一个衍射条纹,并且从各个狭缝来的波还发生干涉。因而,在透镜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,从而获得我们所需要的色散谱线。一般的光栅光信号的最大能量在不色散“零级”的位置上,为了获得特定位置的光谱分布,通过平面闪耀光栅实现。光栅作为高光谱成像仪的分光组件,其最大的优点是光谱色散呈线性,最大衍射能量的波长位置可以通过改变闪耀光栅的闪耀角进行调整,在全光谱波段均可使用,结构相对也比较简单。其缺点是高阶光谱的存在不仅分散了一部分能量,还会对工作的光谱形成干扰。在目前成熟的高光谱成像仪中,光栅分光还是最为普遍的选择。

为了提高光栅分光系统的光学质量和效率,简化结构,在平面光栅的基础上,又发展了曲面光栅,包括凹面光栅和凸面光栅,特别是在发散光束中使用凸面光栅的方法,不但结构简单、体积小、重量轻,而且可以通过选择光栅常数和成像系统的变焦来满足空间和光谱分辨率的要求,并且可以克服准直光束应用方法中像面弯曲的问题。凸面光栅和离轴反射系统在视场、光学效率、像质等方面具有优势,另外跟凹面光栅相比,它具有更好的成像平场度。凸面光栅已成为光栅式成像光谱仪的首选,特别是应用于星载高分辨率高光谱成像载荷。把光栅和棱镜相结合,保留各自的优点,就出现了棱镜-光栅-棱镜结构的分光系统,这类分光系统也在多种成像光谱仪中得到应用。


棱镜分光

棱镜分光主要利用棱镜的色散原理,单色光经光楔折射后将发生偏转,不同的波长会产生不同的偏转角,从而达到分光的要求。其优点是结构简单,所有光学能量都通过棱镜,形成唯一的光谱色散谱线,光能利用效率高;缺点是不同波长的光线经过棱镜后,色散是非线性的,使得不同波长波段间的空间位置和信号不均衡,且用来做长波红外色散棱镜的材料并不多,棱镜分光一般用于可见、近红外和短波红外波段的光谱分光。


滤光片式分光

使某些波长的光高透射而另一些波长的光高反射的元件称为滤光片。滤光片式高光谱成像仪有很多种类,如旋转滤光片式、劈形滤光片式、可调谐滤光片式等。旋转滤光片式高光谱成像仪是由一组不同波长的窄带滤光片组成滤光片轮,通过轮子的转动获得不同波长的高光谱分辨率的图像。劈形滤光片式高光谱成像仪把透过波长渐变的劈形滤光片耦合在焦平面探测器的前面。它采用面阵探测器,在一次曝光时间里可以获得一组不同波长和不同位置的高光谱图像,通过推扫可获得整个成像光谱的数据立方体。滤光片式高光谱成像仪的特点是设计简单,实现也相对容易,但一景图像的每一行分别对应不同的地面目标和不同的光谱波段,给图像的配准和数据的后处理带来许多困难。可调谐滤光片式是通过某种特殊的物理材料,在电性能的控制下,使其成为不同波长的窄带滤光片,典型的有声光可调谐器件和液晶可调谐器件。声光可调谐滤光器(AOTF)是根据声光衍射原理制成的新型分光器件,而液晶可调谐滤光片是利用液晶双折射原理来形成的一个窄带滤光片。


傅里叶变换分光

傅里叶变换分光主要利用了迈克尔逊干涉原理,从原理上可以分为时间调制(动态)型和空间调制(静态)型。时间调制型傅里叶分光的核心就是一台迈克尔逊干涉型成像光谱仪,通过动镜的运动产生光程差,而形成干涉图像。记录该干涉图像,通过傅里叶变换反演就可以获取目标点的光谱图像。空间调制型傅里叶高光谱成像仪又称静止型傅里叶高光谱成像仪,地面上的目标点发出的光束通过分束片和反射镜,产生光程差,在像面上产生空间相干的干涉条纹,同样记录该干涉图像,通过傅里叶变换反演获取目标的光谱图像。

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