色散型高光譜成像技術(shù)

光譜分析單元為色散元件，一般采用光柵或棱鏡作為色散單元，入射的輻射光經(jīng)過準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后，經(jīng)棱鏡和光柵狹縫色散后將復(fù)色光色散成按波長大小依次排列的單色光譜線。通過平場光學(xué)設(shè)計使光譜平直地分布在平面圖像傳感器上，在獲得光譜分辨的同時獲得空間分辨力。色散型成像光譜儀器基本結(jié)構(gòu)示意圖見圖2.1。

光柵根據(jù)其分光方式的不同分為透射式和反射式，如圖2.2所示。

圖2.3是透射式光柵線掃描成像光譜儀的結(jié)構(gòu)圖，光經(jīng)過目標(biāo)物體后進入物鏡，經(jīng)過透射式光柵和一系列棱鏡到達探測器。

圖2.4是反射式光柵的示意圖，反射式光柵線掃描成像光譜儀的結(jié)構(gòu)和透射式不同地方就是在入射狹縫之前的這一部分，入射狹縫和光柵在同一側(cè)。美國Headwall公司制造的Hyperspec VNIR高光譜成像光譜儀就是基于同軸全反射，f/2光學(xué)設(shè)計的，成像波段范圍為600~1600nm。

色散型系統(tǒng)一般采用掃描方式工作，又分為擺掃描(Whiskbroom)方式和推掃描(Pushbroom)方式，通過掃描得到高光譜成像立方體。

擺掃描方式即采用線陣列探測器使用空間擺掃方式成像，這種方式是最早投入實用的成像光譜技術(shù)。目前波段最全，實用性較強的成像光譜儀仍使用這種方式。美國JPL實驗室的AVIRIS系統(tǒng)和美國GER公司的GERIS系統(tǒng)等都屬于此類成像光譜儀(Horler et al.1983)。擺掃型成像光譜儀通過光機左右擺掃和飛行平臺向前運動方式完成二維空間成像，其線列探測器獲取每個瞬時視場像元的光譜維。擺掃型成像光譜儀的內(nèi)部電機驅(qū)動與被測物體平面成45°角的掃描鏡(Rotating Scan Mirror)進行360°旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)水平軸與被測物平面前進方向平行(Cross-track Scanning)。掃描鏡的掃描運動方向與遙感平臺運動方向垂直，對物體左右平行掃描成像。如圖2.5,這樣成像光譜儀所獲取的圖像就同時具有光譜分辨率與空間分辨率。擺掃型成像光譜儀有視場(FOV)大、像元配準(zhǔn)好、光譜波段范圍寬、探測元件定標(biāo)方便、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好等優(yōu)點。但擺掃型成像的缺點是像元凝視時間短，提高光譜和空間分辨率以及信噪比相對困難(張兵，2002)。

推掃描方式成像光譜儀采用面陣探測器成像，探測器垂直于運動方向掃描，它的空間掃描方向就是平臺運動方向(Along-track Scanning)。同時光譜儀通過光柵和棱鏡分光，完成光譜維掃描，見圖2.6,線掃描型成像光譜儀的優(yōu)點首先是像元的凝視時間大大增長，有利于提高系統(tǒng)的空間分辨率和光譜分辨率；其次沒有光機掃描機構(gòu)，儀器機械構(gòu)造簡單。推掃描型成像光譜儀的缺點主要是：增大FOV比較困難，一般在30°左右；面陣CCD的器件標(biāo)定困難，面陣相機拍攝速率較慢實時性較低。