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高光谱成像光谱仪的常见类型及特点介绍

时间:2024-03-07 点击:246次

高光谱成像光谱仪也称高光谱成像仪,其根据成像系统和分光技术的不同,可以分为面阵列探测器加空间推扫型、线列探测器加光机扫描型、光谱空间交叉扫描型和光谱扫描型等四种类型。本文对这四种类型高光谱成像仪的原理及特点做了介绍。

高光谱成像仪

面阵列探测器加空间推扫型光谱仪:

在这类光谱仪中,前光学系统(反射镜和物镜)把一行地物目标成像在狭缝上,与狭缝对应的探测器阵列自扫描完成一维空间扫描,另一维由运载平台的运动完成,即由面阵器件的固体自扫描和飞行平台向前运动完成二维空间扫描。另外,狭缝也是光谱仪的入射狭缝,光谱仪把入射狭缝上的地物像均匀地色散到焦平面探测器上,面阵探测器的另一维完成光谱扫描,即面阵器件的一维完成空间成像,另一维完成光谱的扫描,分光谱器件多数也是光栅和棱镜。其工作原理如下图所示。

推扫式成像光谱仪原理

这类成像光谱仪的特点是:空间扫描由器件的固体自扫描完成,像元的凝视时间较长,这样可以提高系统的灵敏度,或者提高系统的空间分辨率;在可见光波段,由于目前器件很成熟,集成程度也很高,光谱分辨力可以提高到1~2nm的水平;由于没有光机扫描机构,仪器的体积可以设计很小。

目前在可见光、近红外波段,此类成像光谱仪很多,有的已经达到商品化水平。其主要不足之处是:红外波段由于器件的限制,短波红外灵敏度还不理想,热红外暂时不可能;由于光学设计的困难,总视场一般较小。但是,随着焦平面器件的进一步发展和成熟,这类成像光谱仪所占的比例将会越来越多。为了克服线列阵型成像光谱仪对像元凝视时间少,而面阵推帚型成像光谱仪的总视场又不够大的缺点,有时采用小面阵并扫型成像光谱仪。


线列探测器加光机扫描型光谱仪:

面阵推扫式成像光谱仪的前置光学系统,在红外波段,对大视场、高像质光学系统的设计方面非常困难,因此,面阵推扫式成像光谱仪的总视场不可能很大,而线阵探测器加光机扫描型成像光谱仪则很好地解决了这方面的问题。这类光谱仪由光机扫描和飞行平台向前运动完成二维空间扫描,其光谱维的扫描由线列阵探测器完成,色散器件一般是由光栅和棱镜组成,其工作原理如下图所示。

掸扫式成像光谱仪原理图

这类成像光谱仪的特点是:空间扫描在物方完成,可以得到大的总视场角(90°),像元配准好,不同波段任何时候都凝视同一像元;光谱波段覆盖范围较全,可以从可见光一直到热红外;10~120nm的光谱分辨率的情况下,其辐射灵敏度也基本能满足要求。目前波段全、实用性强的成像光谱仪多属此类。

其不足之处是:由于光机扫描,每个像元的凝视时间相对较短,要进一步同时提高光谱分辨率和辐射灵敏度就比较困难。


光谱空间交叉扫描型光谱仪:

光谱维的扫描由旋转滤光片的转动或用渐变滤光片完成的成像光谱仪被称为光谱空间交叉扫描型成像光谱仪。这类仪器的特点是设计简单,实现也相对容易。如渐变滤光片型成像光谱仪是利用CCD摄像机的场扫描功能与渐变滤光片的组合获得分时逐行分谱图像,即一景图像的每一行分别对应不同的地面目标和不同的光谱波段。其工作原理如下图所示:

渐变滤光片分光原理

由于地面上的每一光谱不是同时记录的,因而给图像配准的数据后处理带米许多困难。


光谱扫描型光谱仪:

这类成像光谱仪的各光谱波段是分时获得的,其光谱维的扫描由傅立叶光谱仪或声光调制器完成。从理论上说用傅立叶光谱仪的方法,系统的集光能力比色散型的成像光谱仪要高个数量级以上,具有高信噪比。这类系统的核心是傅立叶干涉光谱仪的设计,极高精度的光学设计和装配校准是系统的主要难点。目前,已经有一些这样的成像光谱仪问世,但是性能基本处于实验阶段,离理论值有很大的距离。

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