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点成像摇扫型高光谱成像仪的成像原理是怎样的?

发布时间:2023-06-09
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高光谱成像仪​所对应的系统瞬时视场通常为毫弧度量级,而仪器的总视场往往要求几度甚至几十度,为了扩大视场,需要实行扫描成像。根据扫描成像的方式和光电探测器种类,高光谱成像仪系统大致可划分成两大类:一类是摇扫方式;另一类为推帚式扫描方式(即推扫型)。本文对点成像摇扫型高光谱成像仪的成像原理进行了介绍。

高光谱成像仪所对应的系统瞬时视场通常为毫弧度量级,而仪器的总视场往往要求几度甚至几十度,为了扩大视场,需要实行扫描成像。根据扫描成像的方式和光电探测器种类,高光谱成像仪系统大致可划分成两大类:一类是摇扫方式;另一类为推帚式扫描方式(即推扫型)。本文对点成像摇扫型高光谱成像仪的成像原理进行了介绍。

高光谱成像仪

最早的高光谱成像仪是在多光谱扫描仪的基础上发展起来的,原理上是把多光谱扫描仪中的几个波段的探测器置换成一个带线阵列探测器的光谱仪,每次可以获得一个地物像元的光谱曲线,并通过机械扫描获得一条地物的光谱数据,所以也称为点成像摇扫型成像光谱仪(如下图所示)。

摇扫型高光谱成像仪原理

摇扫型成像光谱仪结构,包括机械扫描成像和分光探测两部分。与红外行扫描仪相似的光学-机械扫描(光机扫描)结构,在平台飞行中按穿轨方向实行行扫描。每个地面分辨元的辐射依次进入仪器的分光探测部分。分光部件首先将像元辐射按特定光谱间隔实行色散(分光),然后让它们落在线阵列探测器的每个光敏元上。线阵列探测器像元数,即像元分光光谱波段的个数。每个探测器的输出便是特定波段地面景物的图像数据。如果探测器光敏元是方形,每行扫描时间T等于地面瞬时视场与飞行平台轨道方向的地面速度之比。当每行扫描取样(读出)m次,则摇扫方式在穿轨方向每个分辨元的大小为扫描总视场与取样数的比值,每个分辨元上积分时间为T/m(s)。

光机扫描的方式有两种,即物面扫描和像面扫描。物面扫描时,一般在小视场物镜前的光路中加入扫描部件,使物方瞬时视场扫过物面的不同部位,获得较大的空间覆盖。物面扫描的优点是由于系统的光学视场即瞬时视场,物镜视场小,容易获得高像质;缺点是由于物镜口径一般较大,要实现大范围扫描,特别是二维扫描,机械装置比较复杂笨重。像面扫描一般在一个大视场物镜后的会聚光路中加入扫描部件,探测器在每一瞬间,只能“看到”物镜光学视场的一小部分,相当于一个瞬时视场,需要通过二维扫描,才能完整采集一帧图像。

由于像面扫描部件是对经物镜会聚的光束进行偏折,可以做得小巧。像面扫描的中继光学系统视场较小,但是物镜视场很大,要得到高像质,设计、制作都有难度。目前用得较多的还是物面扫描。值得注意的是,光机扫描在某些场合下,会产生像面的旋转,称为像旋。当扫描镜的法线在转动时不在一个平面内,采用多元探测器就会产生像旋。可以用旋转K镜、棱镜等方法消除像旋,如果像旋较小,也可直接用数字方法校正。

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