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cyqdesign

2017-11-22 21:31

成像光譜儀介紹

簡介

目前國際上正在迅速發(fā)展的一種新型傳感器稱為成像光譜儀，它是以多路、連續(xù)并具有高光譜分辨率方式獲取圖像信息的儀器。通過將傳統(tǒng)的空間成像技術(shù)與地物光譜技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，可以實現(xiàn)對同一地區(qū)同時獲取幾十個到幾百個波段的地物反射光譜圖像。

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成像光譜儀基本上屬于多光譜掃描儀，其構(gòu)造與CCD線陣列推掃式掃描儀和多光譜掃描儀相同，區(qū)別僅在于通道數(shù)多，各通道的波段寬度很窄。
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背景

70年代末80年代初，在研究歸納各種地物光譜特征的基礎(chǔ)上，形成這樣一個概念：如果能實現(xiàn)連續(xù)的窄波段成像，那么就有可能實現(xiàn)地面礦物的直接識別，由此產(chǎn)生了光譜和圖像結(jié)合為一體的成像光譜技術(shù)。1983 年美國噴氣推進(jìn)實驗室研制出第一臺航空成像光譜儀（AIS-1），隨后包括中國在內(nèi)的許多國家都研制成功了一系列成像光譜儀，其中有以線陣探測器為基礎(chǔ)的光機(jī)掃描型，有以面陣探測器為基礎(chǔ)的固態(tài)推掃型，也有以面陣探測器加光機(jī)的并掃型。

分類

成像光譜儀按其結(jié)構(gòu)的不同，可分為兩種類型。一種是面陣探測器加推掃式掃描儀的成像光譜儀，它利用線陣列探測器進(jìn)行掃描，利用色散元件和面陣探測器完成光譜掃描。利用線陣列探測器及其沿軌道方向的運動完成空間掃描。

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帶面陣的成像光譜儀

另一種是用線陣列探測器加光機(jī)掃描儀的成像光譜儀，它利用點探測器收集光譜信息，經(jīng)色散元件后分成不同的波段，分別在線陣列探測器的不同元件上，通過點掃描鏡在垂直于軌道方向的面內(nèi)擺動以及沿軌道方向的運動完成空間掃描，而利用線探測器完成光譜掃描。

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帶線針的成像光譜儀

優(yōu)點和缺點
成像光譜儀數(shù)據(jù)具有光譜分辨率極高的優(yōu)點，同時由于數(shù)據(jù)量巨大，難以進(jìn)行存儲、檢索和分析。為解決這一問題，必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，而且不能沿用常規(guī)少量波段遙感圖像的二維結(jié)構(gòu)表達(dá)方法。圖像立方體就是適應(yīng)成像光譜數(shù)據(jù)的表達(dá)而發(fā)展起來的一種新型的數(shù)據(jù)格式，它是類似撲克牌式的各光譜段圖像的疊合。立方體正面的圖像是一幅自己選擇的三個波段圖像合成，它是表示空間信息的二維圖像，在其下面則是單波段圖像疊合；位于立方體邊緣的信息表達(dá)了各單波段圖像最邊緣各像元的地物輻射亮度的編碼值或反射率，這種圖像表示形式亦稱為影像立方體。

從幾何角度來說，成像光譜儀的成像方式與多光譜掃描儀相同，或與CCD線陣列傳感器相似，因此，在幾何處理時，可采用與多光譜掃描儀和CCD線陣列傳感器數(shù)據(jù)類似的方法。但目前，成像光譜儀只注重提高光譜分辨率，其空間分辨率卻較低(幾十甚至幾百米)。正是因為成像光譜儀可以得到波段寬度很窄的多波段圖像數(shù)據(jù)，所以它多用于地物的光譜分析與識別上。特別是，由于目前成像光譜儀的工作波段為可見光、近紅外和短波紅外，因此對于特殊的礦產(chǎn)探測及海色調(diào)查是非常有效的，尤其是礦化蝕變巖在短波段具有診斷性光譜特征。

性能參數(shù)和原理

成像光譜儀主要性能參數(shù)是：（1）噪聲等效反射率差（NEΔp ），體現(xiàn)為信噪比（SNR）；（2）瞬時視場角（IFOV），體現(xiàn)為地面分辨率；（3）光譜分辨率，直觀地表現(xiàn)為波段多少和波段譜寬。

高光譜分辨率遙感信息分析處理，集中于光譜維上進(jìn)行圖像信息的展開和定量分析，其圖像處理模式的關(guān)鍵技術(shù)有：⑴超多維光譜圖像信息的顯示，如圖像立方體的生成；⑵光譜重建，即成像光譜數(shù)據(jù)的定標(biāo)、定量化和大氣糾正模型與算法，依此實現(xiàn)成像光譜信息的圖像-光譜轉(zhuǎn)換；⑶光譜編碼，尤其指光譜吸收位置、深度、對稱性等光譜特征參數(shù)的算法；⑷基于光譜數(shù)據(jù)庫的地物光譜匹配識別算法；⑸混合光譜分解模型；⑹基于光譜模型的地表生物物理化學(xué)過程與參數(shù)的識別和反演算法。

高端的成像光譜儀采用了透射型體相全息衍射光柵，其在可見光到近紅外波段具有低雜散光、低吸收率特點；由于核心部分密封在玻璃或其它透明材質(zhì)中，因此壽命長、容易清潔、抗刮檫，非常適合各種苛刻的野外的應(yīng)用環(huán)境。

成像光譜儀工作方式主要為推掃式，為了實現(xiàn)掃描過程，一般利用外接掃描平臺帶動光譜儀運行；由于掃描平臺比較笨重，且增加了耗電量，給野外工作帶來諸多不便，所以現(xiàn)在最新型的成像光譜儀取消了掃描平臺，改為內(nèi)置式掃描設(shè)計，減輕了整機(jī)重量和能耗，而且可以直接進(jìn)行垂直向下測量，更利于野外使用。