成像光谱仪

2023年4月30日发(作者：旋转密码保险柜怎么开)

1.4.3成像光谱仪光谱成像原理

成像光谱技术从原理上可以分为棱镜/光栅色散型、干涉型、滤光片型、计

算机层析型、二元光学元件型和三维成像型等(Demarez, 1999; Diner et al., 1985 )。

1.棱镜/光栅色散型成像光谱技术

色散型成像光谱技术出现较早，技术比较成熟。该技术要求入射狭缝位于准

直系统的前焦面上，入射的辐射经准直光学系统准直后，经过棱镜和光栅色散，

由成像系统将狭缝按波长成像在探测器的不同位置上。色散型成像光谱仪主要有

两种工作模式:摆扫式和推扫式。成像光谱仪的光学系统可以采用折射光学系统、

反射光学系统及反射折射光学系统。对于摆扫式成像光谱仪，入射到采光系统的

光线与光轴接近平行，视角较小，适宜采用反射光学系统，以覆盖较宽的波段。

对于推扫式成像光谱仪，采光系统的视角必须取很大，一般用折射光学系统，也

有的采用反射折射光学系统。

2.干涉型成像光谱技术

干涉型成像光谱技术在获取目标的二维信息方面与色散型技术类似，通过摆

扫或推扫得到目标上的像素。但是，每个像素的光谱分布不是由色散元件形成，

而是利用像素辐射的千涉图与其光谱图之间的Fourier变换关系，通过探测像素

辐射的干涉图和利用计算机技术，对其进行Fourie:变换来获得每个像素的光谱

分布。

获取光谱像素干涉图的方法和技术是该类型光谱仪研究的核心问题，它决定

了由其所构成的干涉成像光谱仪的使用范围及性能。目前遥感使用的干涉成像光

谱技术中获取像素辐射干涉图的方法主要有三种:迈克尔逊干涉法、双折射干涉

法和三角共路((Sagnac)干涉法。基于这三种干涉方法，形成了迈克尔逊型干涉成

像光谱仪、双折射干涉成像光谱仪、三角共路干涉成像光谱仪三种典型的干涉成

像光谱仪(Elvidge et al., 1990 )。同时，千涉型成像光谱仪根据硬件工作方式又可

分为两类:依靠动镜扫描的时间调制干涉成像光谱仪(Temporarily

ModulatedImaging Interferometer, TMII )和依靠探测器阵列扫描的空间调制干涉

成像光谱仪(Spatially Modulated Imaging Interferometer, SMII)。

3滤光片型成像光谱技术

滤光片型成像光借仪也是每次只测量目标上一行像素的光谱分布，它采用

相机加滤光片的方案，其原理简单，并有很多种类，如可调谐滤光片型、光楔滤

光片型等可调谐滤光片的种类较多:声光、电光、双折射、液晶、法一伯(Fabry-Perot)

可调谐滤光片等，应用在成像光谱仪上的主要有声光和液品可调谐滤光片

液晶调谐的调制速度较慢，波氏切换时间较长，而声光调制速度较快，采

用具有良好的光学性能、较高的声光品质因数和较低声光衰减的光学材料所制作

的器件可以获得较好的效果(Fisher, 1991; Foody et al., 1994 )。

光楔成像光谱仪包括一个安装在靠近面阵探测器的楔形多层膜介质干涉滤

光片，如图1.9所示，探测器的每一行探测像素接收与滤光片透过波长对应的光

谱带的能量。随着光楔滤光片工艺水平的提高，光楔成像光谱仪已开始走向实用

化，美国Hughes Santa Barbara研究中心研制的光谱仪WIS-1和WIS-2采用的分

光元件就是光楔滤光片，NASA的EO-1卫星上也将搭载一台光楔成像光谱仪

(Fouche et al., 1999; Fraser et al., 1985 ) 。

4.计算机层析成像光谱技术

层析成像光谱仪、Computed-tomography Imaging Spectrometer. CTIS)将

成像光谱图像数据立方体视为三维目标·利用特殊的成像系统记录数据立方体在

不同方向上的投影图像，然后利用层析算法重建出数据立方体。该项技术是20

世纪90年代出现的，日本的T. Okamoto和I. Yamaguchi (Fukunaga et al., 1970:

Gaddis et al.. 1996)以及F. Bulygin(Gao et al., 1990)最先着手此项研究，首先提出

了利用衍射光栅来同时获得目标图像信息(包括空间和光谱信息)的方法(如图

1.10所示)，并通过算法重建出原始数据立方体(Fukunaga, et al.,1970; Gaddis et al..

1996 )。美国亚利桑那大学光学科学中心的r和E. Dereniak等人在该光

学系统基础上做了改进，以求获得更多的衍射投影像，并对典型的导弹轨迹进行

了光谱测量(Gao et. al., 1993 )。西安光机所的刘良云和相里斌等人对CTIS做了

仿真研究，并研制出原理样机(Gates et al., 1965 )。层析成像光谱技术可同时获得

目标的二维空间影像和光谱信息，并对空间位置和光谱特征快速变化的目标进行

光谱成像，但由于探测器格式及色散元件的的精度限制，成本较高，较难实用化.

5.二元光学元件成像光谱技术

二元光学元件既是成像元件，又是色散元件。与棱镜或光栅元件垂直于光轴

方向色散的特性不同，二元光学元件沿轴向色散，利用面阵CCD探测器沿光轴

方向对所需波段的成像范围进行扫描，每一位置对应相应波长的成像区。由CCD

接收的辐射是准确聚焦所成的像与其他波长在不同离焦位置所成像的重叠。利用

计算机层析技术对图像进行消卷积处理就可获得物面的图像立方体。采用二元光

学元件的成像光谱仪的光谱分辨力由探测器尺寸决定。太平洋高技术公司

(Pacific Advanced Technology)己经研制了多台该类型成像光谱仪(Geman et al.,

1984，可获取高达400多个光谱通道的超光谱图像，光谱范围覆盖了甚近红外、

短波红外、中波红外和热红外波段。

6三维成像光谱技术

三维成像光谱仪是在光栅(棱镜)色散型成像光谱仪的基础上改进而来的，传

统的色散型成像光谱仪中，光谱仪系统的入射狭缝位于望远系统的焦面上，而三

维成像光谱仪在望远系统的焦面上放置的是一个像分割器(Image Slicer) (Gilaber

et al., 1996)。这是三维成像光谱仪的核心，它的作用是将二维图像分割转换为长

带状图像。像分割器由两套平面反射镜组成，第一套反射镜将望远系统所成的二

维图像分割成多个条带，并将各条带按不同方向反射成为一个阶梯型长条带(如

图1.11所示)，第二组反射镜接收每个单独条带的出射光，并将它们排成一个连

续的长带。从几何光学的角度来看，重新组合的长带与一长狭缝几乎没有任何区

别。但仪器装调困难;加长狭缝高度，也势必造成仪器的结构变大。利用这个像

分割器作为棱镜和光栅色散型光谱仪的入射狭缝，就可以组成一台三维成像光谱

仪。

当然，根据成像手段的不同，成像光谱仪也可分为线列探测器光机扫描型，

面阵间推帚型、光谱扫描型、光谱与空间交叉扫描型等4种类型。

1.4.4成像光谱仪空间成像方式

目前色散型成像光谱仪的空间成像方式主要分为摆扫型和推扫型两种

1.摆扫型成像光谱仪

摆扫型(Whiskbroom)成像光谱仪由光机左右摆扫和飞行平台向前运动完成

二维空间成像，如图1.12所示，其线列探测器完成每个瞬时视场像元的光谱维

获取，如图1.13所示。

摆扫型成像光谱仪具有一个成45斜面的扫描镜(Rotating Scan Mirror )，在

。

电机( Electric Motor)的带动下旋转360，其旋转水平轴与遥感平台前进方向平行

。

( Cross-track Scanning )。扫描镜对地左右平行扫描成像，即扫描运动方向与遥感

平台运动方向垂直。光学分光系统一般主要由光栅和棱镜组成，然后色散光源再

被汇集到探测器(Detectors)上。这样成像光谱仪所获取的图像就具有了两方面的

特性:光谱分辨率( Spectral Resolution)与空间分辨率(Spatial Resolution)。

摆扫型成像光谱仪的优点在于可以得到很大的总视场(FO V可达900)，像

元配准好，不同波段任何时候都凝视同一像元;在每个光谱波段只有一个探测元

件需要定标，增强了数据的稳定性;由于是进入物镜后再分光，一台仪器的光谱

波段范围可以做得很宽，比如从可见光一直到热红外波段。所以目前波段全、实

用性强的成像光谱仪多属此类。除我国中科院上海技术物理研究所研制的

OMIS(实用模块化成像光谱仪)系统之外，还有美国JPL实验室完成的AVIPIS系

统和美国GER公司GERIS系统。

这种成像光谱仪的不足之处在于，由于光机扫描，每个像元的凝视时间相

对很短，要进一步提高光谱和空间分辨率以及信噪比(SNR)比较困难。

2.推扫型成像光谱仪

该型成像光谱仪采用一个垂直于运动方向的面阵探测器，在飞行平台前向运

动中完成二维空间扫描(Along-track Scanning )，如图1.14所示。在平行于平台运

动万问，通过光栅和棱镜分光，完成光谱维扫描，如图1.15所示。

推扫型成像光谱仪的优点首先是，像元的凝视时间大大增加了，因为它只取

决于平台运动的地速;相对于摆扫型成像光谱仪，其凝视时间的增加量可以达到

1}3数量级。如前所述，凝视时间的增加可以大大提高系统的灵敏度和信噪比，

从而在系统的空间分辨率和光谱分辨率方面有更大的提高余地。另外，由于没有

光机扫描运动机构，仪器的体积相对较小。这类设备如中科院上海技术物理研究

所的PHI(推扫式成像光谱仪)、加拿大的 CASI，它们的波长范围均为可见光到

近红外;而美国原定为地球观测系统EOS研制的HIRIS ( High Resolution Imaging

Spectrometer ) ( Goetz, 1989)以及HYDICE同样采用推扫方式，波长范围从可见

光延伸到了短波红外(0.4~-2.5um)。推扫型成像光谱仪的不足之处是，由于探测

器器件尺寸和光学设计的困难，总视场角不可能做得很大，一般只能达到30左

。

右。另外，面阵CCD器件上万个探测元件的标定也很困难。而且，如今的面阵

器件主要集中在可见光、近红外波段。

1.5成像光谱仪系统介绍

国内外研制的成像光谱仪系统可以按它们工作的平台而分为航空成像光谱仪

系统和航天成像光谱仪系统。

1.5.1航空成像光谱仪系统

1983年，世界第一台成像光谱仪AIS-1在美国喷气推进实验室(JPL)研制成功，

并在矿物填图、植被化学等方面取得了成功，显示了成像光谱仪的巨大潜力。受

其影响，随后紧接着研制出的航空成像光谱仪有:美国机载可见红外成像光谱仪

(AVIRIS)、加拿大的荧光线成像光谱仪(FLI)和在此基础上发展的小型机载成像光

谱仪(AIS )、美国Deadalus公司的MIVIS, GER公司的机载成像光谱仪

(DAIS-7915 )、芬兰的机载多用成像光谱仪(DAISA )、德国的反射式成像光谱仪

(ROSIS-10和22)、美国海军研究所实验室的超光谱数字图像采集试验仪

(HYDICE)等。其中AVIRIS的影响最大，是一台革命性的成像光谱仪，极大地

推动了高光谱遥感技术和应用的发展。

随着技术的进步，成像光谱系统在稳定性、探测效率及综合技术性能等方面

都有了很大的提高。近来国际上具有代表性的成像光谱仪主要有澳大利亚的

HyMap、美国的Probe、加拿大ITRES公司的系列产品，以及由美国GER公司

为德士古(TEXACO)石油公司专门研制的TEEMS系统等。

(1) HyMap是“高光谱制图仪”( Hyperspectral Mapper)的简称(T. Cocks et al.,

1998 )，由澳大利亚Integrated Spectronic，公司为主研制。经过多年的发展，

它己成为在技术上较为完善、在系统上较为配套的新一代实用型航空成像光

谱仪的代表。

Hymap在0.45~光谱范围有126波段，同时在3~-5utm和8~ 10um

两个波长区设置了两个可供选择的波段，共有128个波段。其数据在光谱定

标、辐射定标和信噪比等方面都达到了较高的性能:总体光谱定标精度优于

0.5nm,短波红外波段(2.0~2.5um)的信噪比都高于500:1，有的波段甚至高达

1000:10该系统所配备的德国蔡司 (Zeiss Jena SM2000型)三轴稳定平台，

减小了几何畸变，使得HyMap各波段之间的几何配准精度达1/10像元。

(2) Probe-1和Probe-2是Earth Search Sciences, Inc.公司开发的一个有影响的航空

成像光谱仪系统。该系统在0.4}-2.S}tm区有128波段，光谱分辨率为11一

18nm，其各种参数与以上提及的HyMap系统十分相似。

(3) 加拿大ITRES公司是国际上最早从事机载成像光谱仪及其相关设备研制和发

展的企业之一。它的成像光谱仪产品分为三个系列:在可见光一近红外成像的

CASI ( Compact Airborne Spectrographic Imager)系列、在短波红外成像的SASI

( Shortwave InfraredAirborne Spectrographic Imager )、在热红外成像的TABI

(Thermal Airborne Spectrographic Imago )系列。这些系统的突出特点有:图像动

态范围高达12~14bit；具有较高的光谱分辨率，可见光-近红外达到 2.2nm:

视场角大一图像的油描帘度可认1480个像素。值得一提的是，成像得波段和

视场宽度都可以编程控制，可组成三种成像模式：空间模式(Spatial )、光谱

模式(Spectral)和全帧模式(Full)。

(4) TEEMS是德士古能源和环境多光谱成像光谱仪(Texaco Energy &

Environmental Multispectral Imaging Spectrometer)的简称。这是一台由美国地

球物理和环境研究公司 (GER)应德士古的技术要求与德士占专家合作专门

研制的具有200多个波段、性能十分先进的实用型高光谱成像仪·由于该系

统具有紫外、可见、近红外、短波红外和热红外波段的光谱成像能力，从而

在石油地质勘探特别在探测与油气藏有关的特征中发挥了很大的作用。

TEEMS的另一个显著的特点是它与一台高分辨率合成孔径雷达集成为一体，

实现了被动光学遥感器(成像光谱)与主动微波雷达的合成工作模式。这是当

前世界上的第一台该类型的系统，充分将技术的先进性与实用化的要求集于

一身，体现了发展的方向。

近年来热红外的成像光谱仪已有了实质性的进展。最具有代表性的是美

国宇航公司研制的SEBASS，即空间增强宽带阵列光谱仪系统(Spatially Enhanced

Broadband Array Spectrograph System)。这是一台没有任何运动部件的固态成像

仪，共有两个光谱区:中波红外，3.0~5.5um，带宽0.025um;长波红外，7.8~13.5um，

带宽0.04um。它在中波红外区有100个波段，在热红外区有142个波段;所使用

的探测器为2块128x128的Si: As焦平面，有效祯速率为120Hz ,温度灵敏度为

士0.05K，信噪比大于2000:1。热红外成像光谱仪为更好反映地物的本质提供了

珍贵的数据源，已经被应用于环境监测、植被长势和胁迫监测、农林资源制图、

地质填图以及探矿等许多领域。

我国一直跟踪国际高光谱成像技术的发展前沿，在20世纪80年代中、后期

也开始发展自己的高光谱成像系统，在国家“七五”、“八五”、“九五”科技攻关、

"863'，高技术的重大项目的支持下，我国成像光谱仪的发展，经历了从多波段扫

描仪到成像光谱扫描，从光机扫描到面阵CCD固态扫描的发展过程。

在“七五”期间，中国科学院就主持了高空机载遥感实用系统的国家科技攻

关计划，并由中国科学院上海技术物理所发展了多台相关的专题扫描仪。这些工

作为我国研制和发展高性能的高光谱成像光谱仪打下了坚实的基础。在“八五”

期间，新型模块化航空成像光谱仪MAIS的研制成功，标志着我国航空成像光谱

仪技术和应用取得了重大突破。此后，我国自行研制的推扫式成像光谱仪 (PHI)

和实用型模块成像光谱仪系统(OMIS)在在世界航空成像光谱仪大家庭里占据了

一席之地，代表了亚洲成像光谱仪技术水平，多次参与了与国外的合作，并到国

外执行飞行任务。PHI和OMIS的主要技术参数如表1.1和1.2所示。

1.5.2航天成像光谱仪系统

1997年美国NASA计划中的第一颗高光谱遥感卫星(LEWIS)在发射之后失

效是高光谱遥感技术发展的一大憾事。但是人类创新·探索和技术前进的步伐并

没有因此而停顿。从而在时过仅7年的今天，我们才可以为高光谱的群星灿烂而

欢呼!

美国航天成像光谱技术研究方面的投入一直在世界上遥遥领先。虽先有高分

辨率成像光谱仪(HIRIS)计划的夭折，继有LEWIS和Orbview-4卫星失败，但经

过多年的不懈努力，如今美国的中分辨率成像光谱仪(MODIS ) ,

EO-1/HYPEBIOI、美日合作的ASTER以及美国军方的“Might-Sat”高光谱卫星

的成功发射和在轨道上正常运行。

MODIS是EOS-AM 1卫星(1999年12月发射)和EOS-PM1 (2002年5月发射)

上的主要探测仪器一一中分辨率成像光谱仪，也是EOS Terra平台上惟一进行直

接广播的对地观测仪器。通过MODIS可以获取0.4~ 14um的36个波段的高光谱

数据，为开展自然灾害、生态环境监测、全球环境和气候变化以及全球变化的综

合性研究提供了不可多得的数据源。

高级星载热辐射及反射探测器ASTER是搭载在Terra卫星(1999年12月发射)

上的另外一个成像光谱仪器。ASTER是由美国NASA和日本(METI)地球遥感数

据分析中心(ERSDAC)合作研制的，目前ASTER已经被广泛地应用于反演陆面

温度、比辐射率、反射率和高程信息。

美国宇航局(NASA)的地球轨道一号(EO-1)带有3个基本的遥感系统，即先

进陆地成像仪(ALI ) ,高光谱成像仪(Hyperion)以及大气校正仪(LAC)。EO-1上搭

载的高光谱遥感器HYPERION是新一代航天成像光谱仪的代表，

空间分辨率为30m，在0.4~2.5um共有220波段，其中在可见光-近红外(400~

1000nm)范围有60波段，在短波红外(900--2500nm)范围有160波段。

另外，LAC ( Linear Etalon Imaging Spectrometer Array Atmospheric Corrector)

是具有256个波段的大气校正仪，它在890~1600nm光谱段具有256个波段，其

主要功能是对Landsat-7 ETM+和EO-1的ALI遥感数据进行水汽校正，同时1380

nm光谱段也能获得卷云的信息。

美国2000年7月发射的MightSat-II卫星上搭载的傅里叶变换高光谱成像

仪(FourierTlransrormHyperspectral lmager, FTHSI)是干涉成像光谱仪的成功典范。

由于MightySat-II出色的性能和成功运行，其研究组获得了美国空军研究实验室

(AFRL)的“司令杯团体奖”和“空间运载工具董事会年度团体奖”。

2001年10月，欧空局(European Space Agency)成功发展了基于PROBA小

卫星的紧凑型高分辨率成像光谱仪(CHRIS)并发射成功(M. A. Cutter, 2003 )。这一

计划的主要目标是获取陆地表面的成像光谱影像。系统还采用对地表选择对象的

的多角度观测技术以测量其二向性反射特性。CHRIS的地面采样间隔为17m，

为13km X 13km。在400~1059nm之间光谱分辨率为11nm。

2002年3月欧空局继美国AM-1 MODIS之后又成功发射了Envisat里星，

这是一颗结合型大平台先进的极轨对地观测卫星，其上搭载的服务于多种目标的

传感器确保了欧空局对地观测卫星的数据获取的连续性。其中MERIS

( MEdium Resolution Imaging Spectrometer)为一视场角为68.5。的推扫式中分辨

率成像光谱仪，它在可见-近红外光谱区有15个波段，地面分辨率为300m，每

3天可以覆盖全球一次。MERIS的主要任务是进行沿海区域的海洋水色测量，除

此还可以用于反演云顶高度，大气水汽柱含量等信息。

值得一提的是，MERIS虽然只有15个波段，但可通过程序控制选择和改变光谱

段的布局，这无疑为未来高光谱遥感器波段的设计和星上智能化布局开拓了新的

思路。

澳大利亚也提出了自己的一套航天高光谱遥感系统发展计划，根据这一计

划一颗称为ARIES-1的高光谱遥感卫星原计划在2001年投入运行，目前推至

2004年发射。这颗卫星的设计寿命为5年，空间分辨率为30m，在0.4~2.5um共

有220波段，其中在可见光-近红外(400~1000nm)范围有60波段，在短波红外

(900~2500nm)范围有160波段。这颗遥感卫星的重要目的之一是针对澳大利亚丰

富的矿产资源的调查和研究进而研究环境问题，这从系统在短波红外区具有较高

的光谱分辨率可以看出。

日本继ADEOS-1之后于2002年12月发射了后继星ADEOS-2，,其上携带

着日本宇宙开发集团(NASDA)的两个遥感器(AMSR和GLI)和国际或国内合作者

提供的3个传感器(POLAR, ILAS-II, SeaWinds ) 。 GLI在可见和近红外有23个

波段，在短波红外有6个波段，中红外和热红外7个波段。主要提供海洋、陆地

和云的高精度观测数据，其优点表现在可见光波段数比其他海洋水色遥感器和大

气观测遥感器要多得多。还有海洋水色观测所需要的大气定标通道，以及陆地观

测所需的高动态范围波段另外，还有一些以前从来没有用过的重要通道，如

0.38um(近紫外)、0.76um(氧气吸收波段)和1.4um(水汽吸收波段)。

我国在航天成像光谱系统方面也积极追踪国际先进水平，于2002年3月

发射的“神舟-3”号无人飞船中就搭载了一个中分辨率的成像光谱仪(CMODIS),

CMODIS有34个波段，波长范围在0.4~ 12.5um。另外，在我国即将发射的环境

与减灾小卫星星座中，也包括有一个128波段的高光谱遥感器。此外在我国计划

中的“风云一3”号气象卫星以及探月计划中，也包含了对航天成像光谱仪的研

制和发展。