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高光谱成像仪有哪几种分光方式?

发布时间:2023-11-17
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高光谱成像仪​作为精密的光学仪器,它融合了传统的成像和光谱技术的优点,可以同时获取被检测物体的空间信息和光谱信息,具有图谱合一的特点。其根据分光方式的不同,可以分为干涉型、滤光片型和色散型等不同的类型。本文对高光谱成像仪分光方式的类型做了介绍,对此感兴趣的朋友可以了解一下!

高光谱成像仪作为精密的光学仪器,它融合了传统的成像和光谱技术的优点,可以同时获取被检测物体的空间信息和光谱信息,具有图谱合一的特点。其根据分光方式的不同,可以分为干涉型、滤光片型和色散型等不同的类型。本文对高光谱成像仪分光方式的类型做了介绍,对此感兴趣的朋友可以了解一下!

高光谱成像仪

干涉型光谱成像技术:

干涉型成像光谱技术通过干涉仪探测目标的干涉图并利用傅里叶变换计算获得光谱信息,它起源于上世纪80年代末,其通过结合双光束干涉技术与望远成像技术,利用干涉图与像元辐射谱的傅里叶变换关系,对实验所测得的干涉图进行处理得到目标的光谱信息,所以又名为傅里叶变换成像光谱仪。

干涉型光谱成像技术根据干涉图获取方式的不同,可以分为时间调制型、空间调制型以及时空混合调制型。时间调制型光谱成像技术采用的是Michelson干涉原理,如下图所示,通过动镜扫描获得目标物体的干涉信息。

时间调制型成像光谱仪原理图

空间调制型成像光谱仪获取干涉图的原理采用的是剪切干涉与杨氏双缝干涉原理相结合,其采用三角共光路干涉成像系统,如下图所示,由于狭缝的存在,不需要动镜扫描即可获取目标的干涉图信息,又称为静态干涉成像光谱仪。

Sagnac空间调制型成像光谱仪原理图

时空联合调制联合调制型傅里叶变换成像光谱仪是基于像面干涉成像原理,获得的是经干涉图调制后的目标物体的全景图像。


色散型光谱成像技术:

色散型光谱成像技术一般先通过棱镜或者光栅分光,然后被成像系统成像在探测器上,色散型成像光谱仪获取光谱的方式是通过光栅或者棱镜的分光来实现。其工作原理为:地面目标物体发出的光经前置成像系统后,成像在狭缝处。然后经过色散元件分光之后由后置成像系统成像在探测器上,从而获得关于目标物体各个谱段的信息。棱镜是根据光频率不同在介质传播速度不同而实现分光的;光栅则是通过衍射原理将复色光分散。两者分光原理不相同,存在各自特点,具体如下:

光栅:优点:线性度高、有效孔径大;色散率高、重量轻。缺点:谱线弯曲、多级衍射干扰;光谱范围较小、能量损失较大。

棱镜:优点:杂光少、光谱范围宽;能量利用率高。缺点:谱线弯曲、色散非线性、色散率低;有效孔径大较小、体积大。

色散型成像光谱仪的光谱分辨率是与狭缝宽度有直接关系的,狭缝宽度越小,获得光谱越精细,即其光谱分辨率越高。但系统所获得的光通量随狭缝宽度减小而降低,在探测过程中一些微弱信号就有可能会被湮没。由于色散型成像光谱仪具有结构稳定,易于实现的优点,因此在成像光谱仪的发展历程中,是最早进入工程应用的成像光谱仪。目前这种类型的成像光谱仪的相关技术比较成熟,在早期的航空和航天中的成像光谱仪中大多都采用了此类技术。在色散型成像光谱仪中,光通量和光谱分辨率之间的矛盾关系导致了色散型成像光谱仪在探测可见和红外弱辐射方面存在比较大的困难。


滤光片型光谱成像技术:

滤光片型成像光谱技术是在成像系统中加入滤光片分光,与其相比色散型和干涉型成像光谱技术结构较复杂。滤光片型光谱成像技术可细分为多相机加滤光片式、单相机加滤光片轮式、单面阵CCD加滤光片式等,前两者由于多个相机的存在以及滤光片轮的布置,导致整个光谱成像系统质量和体积增大。

滤光片型成像光谱仪按照滤光片的不同,滤光片成像光谱仪主要可以分为一下三种类型:旋转滤光片型成像光谱仪、楔形滤光片型成像光谱仪和可调谐滤光片型成像光谱仪。

旋转滤光片型成像光谱仪分光主要是通过旋转滤光片轮实现,即一组不同波长的滤光片组成轮子,然后依靠轮子旋转实现不同波长光谱图的获取。

可调谐滤光片成像光谱仪是通过可调谐滤光片实现分光,该成像光谱仪的研制方面,可调谐滤光片是一种特殊的物理材料,按照调节方式的不同可以分为两类:声光可调谐滤光片,液晶可调谐滤光片。

楔形滤光片型成像光谱仪核心结构是在系统所使用焦平面探测器的前面耦合的楔形滤光片,该楔形滤光片可以随位置不同透过波长不同。该成像光谱仪采用面阵探测器,在一次曝光的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仪的数据立方体。

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