【光电智造】光谱成像知多少

今日光电 2023-09-03 19:03

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光谱成像技术是一类将成像技术和光谱技术相结合的新型多维信息获取技术，能探测获得被测目标的二维空间信息和一维光谱信息构成的数据立方体，经过数据处理能够获得不同地物的光谱曲线。

光谱成像技术分类

光谱成像技术起源于上世纪八十年代，其前身是多光谱遥感成像技术。由于光谱成像具有良好的信息获取能力，光谱成像技术得到了飞速的发展，已经发展出多种光谱成像技术，成像光谱仪产品不断更新换代。

光谱成像技术的分类标准多种多样，按不同的分光方式，可以分为色散型和干涉型等光谱成像技术。色散型光谱成像技术和干涉型光谱成像技术都是通过推扫或摆扫的方式获得目标的二维空间信息和一维光谱信息，对平台的稳定性要求很高，且在同一次曝光中获取所有谱段的光谱信息。采用滤光片的光谱成像方案，无论是采用多个滤光片并行获取多个波长的图像信息，还是采用依次切换滤光片的方式，都需要根据系统的光谱响应来设置合适的曝光时间，从而获得最大的信噪比。

色散棱镜分光技术

色散棱镜是光谱成像中最常用、最简单的分光元件，上图是色散棱镜在光谱成像仪中的典型应用。如图所示，入射狭缝位于准直系统的前焦面上，入射光经准直系统后，经棱镜由成像系统将狭缝按波长成像在焦平面探测器上。

衍射光栅分光技术

衍射光栅的应用方法和色散棱镜一样，入射狭缝位于准直系统前焦面上，入射光经准直系统后，经光栅将狭缝按波长成像在焦平面探测器上。

衍射光栅的另外一种用法是将其置于发散光束中，从狭缝入射的光不需要准直系统直接入射到光栅上，经光栅衍射后可得到目标狭缝的光谱虚像，成像系统将狭缝按波长成像在面阵探测器的不同位置，这种成像技术已经被应用到OrbView-4卫星的战术遥感器的概念设计中。

目前国际上比较成熟的机载和航空航天打在的色散型光谱仪都是基于衍射光栅的，比如美国喷气推进实验室的AVIRIS、加拿大的CASI、芬兰的AISA，以及光谱辐射计MODIS等仪器和设备。

二元分光元件分光技术

二元光学元件既是色散元件也是成像元件，利用单色面阵探测器沿光轴方向对所选波段成像范围进行扫描，每一位置对应相应波长的成像区。二元光学元件同普通透镜一样会聚入射光线，但是它依据的是衍射原理，由衍射产生的色差的有效焦距与波长成反比。

与棱镜或光栅元件沿垂直于光轴方向色散的特性不同，二元光学元件沿轴线色散，采用二元光学元件的成像光谱仪其光谱分辨率由探测器的尺寸决定。该结构成像光谱仪结构紧凑，衍射效率高。

声光可调谐滤光片分光技术

声光可调谐滤光片（AOTF）是一种新型的色散元件，由声光介质、换能器阵列和声终端三部分组成。根据声光衍射原理，当复色光以特定的角度入射到声光介质后，由于声光相互作用，满足动量匹配条件的入射光被超声波衍射成两束正交的单色光，分别位于零级光两侧。改变射频信号的频率，衍射光的波长也相应改变。连续快速的改变射频信号的频率就能实现在衍射光波长范围内快速的光谱扫描。

干涉型成像光谱仪

由于色散型成像光谱仪的光谱分辨率与入射狭缝的宽度成反比，要获得更高的光谱分辨率，就要不断减小狭缝的宽度，以至于系统的光通量减少，导致探测灵敏度很低。随着成像光谱仪的技术指标要求的提高，尤其是空间分辨率、光谱分辨率、对弱信号的探测能力等方面，色散型成像光谱仪渐渐不能满足要求。干涉成像光谱仪在原理上具有高光谱分辨率与高能量利用率等优点，能够满足不断提高的应用需求，逐渐成为成像光谱技术领域的研究热点。

干涉成像光谱仪的主要分光技术有迈克尔逊干涉法、三角共光路干涉法、双折射干涉法等。近年来又发展出了利用液晶可调谐滤光片获得偏振光，进而发生干涉的技术。除了以上的双光束干涉技术，还有基于多光束干涉的分光技术。

滤光片型成像光谱仪

滤光片型成像光谱仪是在光路中加入滤光片作为分光元件，通过更换滤光片来获得不同的光谱通道。滤光片型光谱成像以电调谐的方式改变中心波长，波长调整一次，相机曝光一次，系统记录下该波段的二维图像信息，然后在设定下一个透过波长。依次循环，直到完成所有波长的图像采集任务，获得最终的光谱数据立方体。

光谱成像技术的应用

光谱成像技术是光谱分析技术和图像分析技术的完美结合，同时具备光谱分辨能力和图像分辨能力，可以对被测物体进行定性、定量、定位分析，利用物体表面成分的光谱差异，可以实现对目标的精确识别和定位，在物质识别、遥感探测、医疗诊断等领域具有广泛的应用。

光谱成像技术的发展经历了多光谱、高光谱、超光谱成像三个阶段，正是因为成像光谱仪可以得到波段宽度很窄的多波段图像数据，所以它多用于地物的光谱分析与识别。随着光谱分辨率不断提高，获取的目标光谱信息更加精细，在军事、农业、医学、资源勘探、地质调查等领域的应用越来越广泛。

在军用方面，由于成像光谱仪具有在光谱上区分地物类型的能力，因此它在地物的精细分类、目标检测和变化检测上头体现出较强的优势，称为一种重要的战场侦查手段。光谱图像可以在自然草地背景下分辨出真实目标和伪装目标，在沙漠背景下快速检测出战术小目标。

在民用方面，光谱成像起源于地质矿物资源的识别研究，尤其是特殊的矿产探测如矿化蚀变岩的探测，逐渐扩展到植被生态学、海洋和海岸水色调查、水体检测、冰雪、土壤以及大气的研究中。具有精细分辨率的光谱图像具有图谱合一的特性，可以精确探测植被生长特征的光谱信息，甚至可以识别、估计水域中的叶绿素即悬浮物含量，检测水质受到化学污染的情况。精细光谱成像已经成为国内外研究的热点，学者们利用精细光谱成像技术更加微观的尺度上定量化地在进行物质机理探测研究。