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光谱成像仪有哪类型?光谱成像仪的类型划分

发布时间:2023-03-30
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​普通成像仪只是针对单一的波段成像,而光谱成像仪是在更宽的波段范围内成像,不仅获得目标的二维空间信息,同时还能获得目标的光谱信息,形成一个三维数据立方体,完成对目标特性的综合探测。光谱成像仪可以根据扫描方式、分光方式、光谱分辨率大小分成不同的类型。本文为大家做了相应的介绍。

普通成像仪只是针对单一的波段成像,而光谱成像仪是在更宽的波段范围内成像,不仅获得目标的二维空间信息,同时还能获得目标的光谱信息,形成一个三维数据立方体,完成对目标特性的综合探测。光谱成像仪可以根据扫描方式、分光方式、光谱分辨率大小分成不同的类型。本文为大家做了相应的介绍。

光谱成像仪

不同扫描方式的光谱成像仪:

根据扫描方式分类,光谱成像仪的工作方式可以分为挥扫方式、推扫方式、凝视方式三种,如下图所示。

高光谱成像仪扫描方式原理图

(1)挥扫方式(摆扫)的成像光谱仪使用线阵探测器来接收目标信息,其原理如上图所示,通过扫描镜的左右摆扫可以完成一维的扫描,当光谱仪随机载平台移动就可以完成二维的空间扫描,得到带状二维空间信息,同时在挥扫中光谱仪可以得到对应线阵探测器的瞬时视场角内的光谱信息,最后经数据处理即可得到目标的三维数据立方体。挥扫方式的优点是其瞬时视场较小,因此系统像质较高,通过挥扫能够得到较大的总视场。但是仪器中扫描的机械结构复杂,造成仪器体积庞大,又由于光机扫描使每个像元的凝视时间很短,因此很难提高光谱仪的空间和光谱分辨率。

(2)推扫方式(推帚)的成像光谱仪采用面阵探测器来接收目标信息,其原理如上图所示面阵探测器本身完成了垂直飞行方向的扫描,当光谱仪随机载平台移动时会同时得到目标的空间维信息和光谱信息。与前者相比,推扫方式没有用于扫描的机械结构,体积小、实用性和可靠性较强,适用于棱镜或光栅分光方式的光谱仪。但光学设计上的困难使得推帚式光谱仪的总视场一般不大,若要增大视场一般需要在光学系统中添加指向镜或补偿镜,但是这样又会使系统的复杂度增加。

(3)采用凝视方式的光谱仪同样采用面阵探测器接收目标信息,原理如上图所示,光谱仪采用二维视场成像方式,可以同时进行二维扫描,完成对二维目标空间的成像,通过搭载平台完成沿轨道方向的画幅式成像。其光谱信息和空间信息不能同时得到,需要通过系统内的滤光片轮、可调谐滤光片或渐变滤光片等进行分光获取光谱维信息,经过数据处理后才能得到三维数据立方体。凝视方式摆脱了机械扫描结构,使得系统体积大幅减小,但后期的数据处理较为困难。


不同分光方式的光谱成像仪:

根据分光方式光谱仪可以分为棱镜型、光栅型、干涉型、滤光片型、计算成像型。

(1)棱镜型分光方式利用的是棱镜的色散能力来分光。使用棱镜分光,优点是结构简单,性能稳定,能量透过率高,杂散光少。缺点是单一材料的棱镜的色散是不均匀的,光谱的分辨率存在非线性,同时单棱镜还会带来谱线弯曲及色畸变。如今使用棱镜的光谱仪多数采用复合棱镜或曲面棱镜来修正色散的非均匀性,如双阿米西棱镜、Littrow 棱镜、阿贝恒偏向棱镜等。

(2)光栅型分光方式利用的是光栅衍射原理,光束经过光栅后由于衍射和干涉会在像面上形成明暗相间的条纹,这些条纹的极大位置与波长大小相关。使用光栅分光优点是结构简单、色散线性,并且由于光栅型光谱仪的光谱分辨率与狭缝宽度成反比,因此其光谱分辨率较高。缺点是光栅型光谱仪存在高阶谱线,会分散一部分能量还会对工作谱段产生干扰,同时会产生较多的杂散光。为了改进这些缺陷,如今已经开发出了新型的分光光栅如凸面光栅、凹面光栅,可以加强分光效率使结构更加简化,还有棱镜-光栅组合元件。

(3)滤光片型分光方式是应用最早的分光方式,根据滤光片只有特定的波段可以通过的原理进行分光。这种分光方式包括多相机式、滤光片轮式、线性渐变滤光片式、楔形滤光片式和可调谐滤光片式等。

(4)干涉型光谱仪利用相干成像先得到目标的干涉图像,再由此图像获得物体上特征点的干涉曲线,最后通过逆傅里叶变换计算出所有特征点的谱段曲线,再加上一个维度的扫描即可得到完整的三维数据立方体。干涉型光谱仪包括时间调制型干涉、空间调制型干涉和时空混合调制型干涉。

(5)计算层析成像型光谱仪通过将目标的三维数据立方体从不同方向投影到二维面阵探测器上,然后将这些投影图像利用层析算法重构而得到目标的数据立方体,即目标的光谱图像。计算层析型光谱仪一般采用凝视式工作方式,能够探测位置和光谱特性不断变换的目标的光谱信息,但由于CCD探测器和色散元件的制约,此类光谱成像技术的成本过高。


不同分辨率的光谱成像仪:

根据光谱分辨率的高低不同,可以将光谱成像技术分为多光谱、高光谱、超光谱三类。

(1)多光谱成像光谱仪的光谱范围最宽,光谱分辨率稍低,通常有几个到十几个波段,常用来做地物分类,成熟度检测等。

(2)高光谱成像光谱仪的光谱范围较窄,光谱分辨率中等,通常有几十到几百个波段,常用来做资源勘探、军事侦察等。

(3)超光谱成像光谱仪的光谱范围最窄,光谱分辨率较高,通常有几千个波段,常用来做化学成分检测。

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