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高光谱成像基于分散元素的方法

发布时间:2023-09-19
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基于色散元件的高光谱成像仪使用色散元件(例如棱镜或衍射光栅)将来自物体的辐射光分离成光谱分量。

基于色散元件的高光谱成像仪使用色散元件(例如棱镜或衍射光栅)将来自物体的辐射光分离成光谱分量。将光栅或透明棱镜插入光谱仪的准直光束中,将辐射光分解为其单色成分。光栅色散的单色分量呈线性分布,而棱镜色散的单色分量呈非线性分布。棱镜还可用于将辐射光分解为其单色成分。棱镜是光栅和棱镜的组合(也称为光栅棱镜),以便选定中心波长的辐射光直接通过。


基于色散元件的高光谱成像仪是机载和星载遥感中最受欢迎的成像仪。此类高光谱成像仪需要通过专用扫描仪或整个仪器随着飞机或卫星的飞行运动扫描地面场景,以获得空间覆盖范围。场景扫描有两种操作模式:拂扫式和推扫式。使用一维线性探测器阵列的基于色散元件的高光谱成像仪在拂扫模式下运行,而使用二维区域探测器阵列的基于色散元件的高光谱成像仪在推扫模式下运行。


早期的机载高光谱成像仪经常采用扫帚操作模式,例如美国宇航局喷气推进实验室(JPL)开发的机载可见光/红外成像光谱仪(AVIRIS)。这是因为使用一维线性探测器阵列,它可以在某一时刻仅记录一个地面像素(或地面采样单元)的光谱的单色分量。仪器需要采用拂扫模式对地面采样单元进行交叉轨迹逐个扫描,如图 所示。。当飞行器或卫星沿飞行方向(也称为沿飞行方向)向前飞行时,仪器扫描完当前越轨线的所有地面采样单元后,开始扫描下一条越轨线的地面采样单元。 -轨道方向),等等。


Fig. 2. - Concept of a hyperspectral imager operating in whiskbroom mode using a linear detector array.

图1 使用线性探测器阵列以扫帚模式运行的高光谱成像仪的概念


拂扫式高光谱成像仪的优点如下


①仪器设计简单;

②宽幅(即跨轨迹线的长度),因为幅宽由扫描机制决定,而不是由二维探测器阵列空间方向上的可用像素数量决定;

③易于校准,因为场景内地面采样单元的所有光谱都是由相同的线性探测器阵列和相同的光学器件生成的,它们具有相同的光谱特性。这种类型的高光谱成像仪没有推扫式高光谱成像仪那样的空间失真(也称为梯形失真);


扫帚式高光谱成像仪的缺点如下


①需要一个机械扫描仪,其中包含真空室中的移动部件。

②空间不一致需要进行后处理。

③由于积分时间短而限制了高光谱和空间分辨率要求。


几乎所有星载高光谱成像仪都使用二维区域探测器阵列并以推扫式操作模式运行。图3显示了使用二维探测器阵列的基于色散元件的高光谱成像仪概念的示例。如图所示,它在跨航迹方向上对整行地面采样单元进行成像,而飞机或航天器则在沿航迹方向上提供前向扫描。无需逐一扫描各个地面采样单元。然后,在光谱仪狭缝上形成的跨轨线的一维图像被分散到二维探测器阵列上,该阵列提供沿一个轴的光谱信息和沿另一轴的空间信息。该架构有效地将与交叉轨道线中的地面采样单元一样多的单独光谱仪集成到单个仪器中。


Fig. 3. - Example of the concept of a dispersive elements based hyperspectral imager.

图2 基于色散元件的高光谱成像仪概念示例


以推扫模式运行的基于色散元件的高光谱成像仪的优点如下


①没有活动部件;

②全等空间图像;

③每个地面采样单元的积分时间较长,因为每个地面采样单元均由 2-D 探测器阵列的行元件(例如,图 中的 A、B、C、…、G 行)同时感测,而不是逐个感测,它省略了跨轨道线中所有地面采样单元的分时扫描。较长的积分时间意味着收集更多的照片并导致更高的信噪比 (SNR)。


推扫式高光谱成像仪的缺点如下


①复杂的光学设计和复杂的焦平面;

②条带宽度受到空间方向上二维探测器阵列的可用像素数量的限制;

③复杂的校准;

④同时存在光谱失真(也称为微笑)和空间失真(也称为梯形失真)。推扫式高光谱成像仪收集的高光谱数据需要针对微笑和梯形失真进行充分校正,然后再分发给用户进行下游应用。

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