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高光谱成像仪按照分光器件不同可分为哪些类型?

发布时间:2023-10-13
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高光谱成像仪​是光谱技术与图像技术的有机结合,不仅可以表征待测物空间分布的图像特征,还能以其中某一像素或像素组为目标获取其光谱特性,被广泛的应用于精细农业、地质勘查等领域。那么,高光谱成像仪按照分光器件不同可分为哪些类型?本文为大家作了介绍。

高光谱成像仪是光谱技术与图像技术的有机结合,不仅可以表征待测物空间分布的图像特征,还能以其中某一像素或像素组为目标获取其光谱特性,被广泛的应用于精细农业、地质勘查等领域。那么,高光谱成像仪按照分光器件不同可分为哪些类型?本文为大家作了介绍。

高光谱成像仪

成像光谱仪的核心元件-分光器件,其发展过程从最开始的色散棱镜到随后的衍射光栅,之后从采用干涉调制元件再到可调谐滤光器的广泛应用,分别对应分光器件的三大类型:色散型成像光谱仪、干涉型成像光谱仪和可调谐滤光器型成像光谱仪。

1.色散型成像光谱仪

色散型成像光谱仪作为最开始使用的成像光谱仪,是一种常见的成像光谱仪,它的分光元件是三棱镜或者光栅,如上图所示,上图不仅是推扫式成像光谱仪的原理图,也是色散型成像光谱仪的成像原理图,其中的分光元件使用的就是色散元件(三棱镜或者光栅)。自然光照射到地面目标物后,目标物体反射的光通过指向镜的反射成像在物镜后面的狭缝平面上,形成的像能够穿过该狭缝,但是其他的干扰光比如环境光不能通过狭缝,因此地面目标物体形成的像经过狭缝后将获得一维的空间信息。在经过狭缝后,地面目标物形成的一条一条的像经过扩束准直镜后照射到分光元件(色散元件为棱镜或者光栅),经过色散元件色散后再由像镜会聚为一条条的光谱像并且将这些光谱像成像到面阵列探测器上。

面阵列探测器上平行于狭缝的方向包含待测物体的空间信息,每个像元点对应于窄波段的狭缝像,而面阵列探测器上垂直于色散元件的方向包含待测物体的光谱信息。在探测器上的每一行像元点对应一个窄波段,每一列的像元点对应于瞬间采集的不同波长下的像,因此面阵列探测器的每一帧图像就是待测物体通过狭缝所形成的光谱图像数据。


2.干涉型成像光谱仪

在基于光的干涉原理基础上,干涉型成像光谱仪利用干涉图和复原光谱之间的傅里叶变换关系,再计算两者的傅里叶积分从而得到被测对象的光谱信息。干涉型成像光谱仪根据调制方式的不同可分为两大类,一类是基于迈克尔逊干涉仪的时间调制型干涉成像光谱仪,另一类是基于横向剪切干涉仪的空间调制型干涉成像光谱仪。

时间调制型干涉成像光谱仪核心结构原理图如下图所示。为了得到时间序列干涉图,其核心结构需要高精度的动镜驱动系统来控制动镜以均匀速度在水平方向上移动,因此在机械加工方面对精度的要求非常高,从而增加了成本。另外,虽然其光谱分辨率较高,但是该成像光谱仪图像采集周期较长且抗震动能力差,故在国际上,时间调制型成像光谱仪逐渐被各方面性能更好的空间调制型成像光谱仪所超越并且取代。

时间调制型成像光谱仪原理图

空间调制型成像光谱仪由于系统中不含动镜,所以又被称为无动镜干涉成像光谱仪,它成功解决了时间调制型干涉成像光谱仪的一些缺点不足,不仅降低了机械加工成本,而且具有更好的抗震性能、更宽的可使用波段以及更小的体积等优点。按分光元件的不同可以分为Sagnac干涉仪和双折射晶体干涉仪,下图为典型的Sagnac空间调制型干涉成像光谱仪原理图。

Sagnac空间调制型成像光谱仪原理图

3.可调谐滤光器型成像光谱仪

可调谐滤光器型成像光谱仪在近几年来得到了快速的发展,它的原理是将可调谐滤光器放在探测器前,通过调节可调谐滤光器的透过波长以获得不同波长的光谱图像,其基本成像系统如下图所示。

可调谐滤光器成像系统图

可调谐滤光器可分为声光可调谐滤光器(AOTF)和液晶可调谐滤光器(LCTF)两种。AOTF是根据各向异性双折射晶体声光衍射的原理制成的,LCTF是根据偏振光的干涉原理制成的。

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