高光谱知识(1)-高光谱成像技术的理解

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高光谱技术可以获得待观测目标或场景的连续单色光谱图像，并通过空间维(x, y)数据和光谱维(λ)数据共同组成三维观测数据立方体，从而为研究人员提供探测目标或场景中的每一个点的空间和光谱特征细节。这种兼具相机的高分辨成像能力和光谱仪的高光谱分辨能力使得高光谱被广泛应用于测绘遥感、目标识别、环境监测与评估、临床影像诊断、过程监控等任务中，并在地理、空间、海洋、气候、大气、农业、植被、生态、医药、安防、制造与色度等多个领域中发挥巨大作用。

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前言

高光谱成像技术是分析的基础，因此，本文就现有高光谱成像技术进行学习和理解

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一、按获取数据的过程划分

  高光谱是获取目标场景的三维立方数据体，故根据其获取数据过程的不同可以将成像光谱仪进行最基本的分类：
(1) 摆 扫 式 成 像 光 谱 仪 (Whiskbroom imaging spectrometer)
  原理：使用线阵探测器，每次收集一个像素上的所有光谱维数据，并通过扫描镜摆动和搭载平台的移动最终获取全部的立方数据体。
  特点：相对来说获取速度最慢。
(2) 推扫式成像光谱仪(Pushbroom imaging spectrometer)
  原理：使用面阵探测器，每次可以收集一维空间维上对应的一行像素的所有光谱维数据，并通过搭载平台的移动或扫描镜的转动完成全部数据立方体的收集。
  特点：…没啥特点
(3) 滤 光 片 式 成 像 光 谱 仪(Filter/Interferometric imaging spectrometer)
  原理：使用面阵探测器，通过一组滤光片或可调谐波长器件进行分光，每次可以收集两个空间维度上的面阵对应的所有像素的单一光谱维数据，并通过滤光片切换或器件的波长调谐来完成全部数据立方体收集。干涉型成像光谱仪如傅里叶变换光谱仪等均可归入此类。
  特点：目前主流之一，兼顾速度和分辨率
(4) 快照型成像光谱仪(Snapshot imaging spectrometer)
  原理：使用面阵探测器，通过特殊元器件或探测形式对目标或场景进行编码，再通过后续系统色散后对探测器采集数据进行解码，一次观测即可收集整个三维数据立方体，探测速度最快
  特点：但是其光谱分辨率不高，且数据的解码速度较慢。

二、按照光谱色散成像系统获取光谱信息能力的不同划分

2.1 滤光型成像光谱仪

2.1.1 窄带滤光片型成像光谱仪

  原理：窄带滤光片是一种能够对探测目标辐射光中的特征光谱进行有效提取、同时对带外杂光进行高抑制的光学器件，将窄带滤光片置于相机中的探测器前，即可实现相机对拟观测目标的特征光谱图像探测，从而形成最简单形式的成像光谱仪。如果观测目标或场景具备多个特征波长，则可以使用多个窄带滤光片组成的滤光片组，通过分时切换来实现多波长的单色光谱成像探测。
  特点：这种成像光谱仪的核心光谱色散器件和系统形式相比其他成像光谱仪而言较小，因此整体结构上更容易实现集成化和小型化。目前，很多市面上使用的可在无人机上搭载的小型高光谱相机均属于此类成像光谱仪，其体积小、重量轻、成本低，在农业定量观测等领域中应用较为广泛。
代码如下（示例）：

2.1.2 可调谐窄带滤光器型成像光谱仪

  目前主流的可调谐窄带滤光器包括声光可调谐滤光器(AOTF)，液晶双折射可调谐滤光 器(LCTF)，法布里-泊罗(F-P)滤光器等。下面将对这几种滤光器做简要介绍。

2.1.2.1 声光可调谐滤光器

  原理：这种滤光器主要利用了声光衍射原理，器件的核心是晶体和其相连的压电换能器，通过将高频的射频电信号作用于换能器，使之转换为在晶体内的超声波振动，这种振动波可以在传播区域内周期性地调制晶体折射率，从而产生空间周期性的调制作用，这种调制与体相位光栅类似，可以对入射到晶体介质上的电磁波进行衍射，而且衍射光的波长与高频驱动电信号的频率一一对应，只要改变高频 RF 驱动信号的频率，即可改变衍射光的波长，达到分光的目的。
  特点：声光可调谐滤光器可动态地选择特定波长，并以微秒级的速度进行波长调整。

2.1.2.2 液晶双折射可调谐滤光器

  原理：这种滤光器由液晶延迟波片和线性偏振片按照一定的顺序组合而成。所有的延迟波片其快慢轴的指向均一致，且与其相邻的偏振片轴呈 π/4 夹角；且一般而言每个延迟波片的厚度都是前一个的 2 倍。与声光可调谐滤光器工作原理类似，通过对液晶双折射滤光器中的晶体施加电场，将可产生电控双折射现象，从而改变 o 光和 e 光的折射率差，进而通过电压精确调制二者的相位差来实现不同波长的输出。

2.1.2.3 法布里-泊罗可调谐滤光器

  原理： 在两个高反射率镜片件放置薄液晶片的方法可以支撑法布里-泊罗光学谐振腔，通过施加电场改变液晶的折射率同样可以实现如上两种可调谐滤光器的波长调谐能力

2.1.2 阵列式滤光器

  通过以上滤光器实现的成像光谱仪，其探测目标的特征光谱均为分时获取，一定程度上牺牲了时间分辨率，也为高速光谱应用带来了一定的阻碍。为了解决这一问题，科研工作者又发明了各种新型的阵列式滤光器。
  通过在光电探测器光敏面上镀薄膜、F-P 标准具、平面光子晶体、光子带隙光纤、超构表面、波导环形谐振器等滤光器阵列，可以实现很好的固定阵列式滤光片的研制，从而使得探测器接收到的图像在对应的像素与耦合的滤光器处呈现出所需的特征光谱信息。这些新型的分光技术促使成像光谱仪向小型甚至微型化快速发展。
  另一种与上述阵列式滤光片类似的是线性渐变式滤光片。一般利用多层膜技术实现，通过连续可变厚度所形成的带有一定倾角的多层膜，使得探测器上不同像素上接收的波长依赖于入射光在多层膜上入射的位置，进而实现不同像素上的不同波长选择；这种被探测器接收到的光谱是线性渐变的，其光谱分辨率最优可以达到 1nm 左右。目前有很多星载的中小型高光谱相机都使用了这种渐变滤光片的形式也最大程度的减小相机的体积和重量，同时一定程度的提升了观测的时间分辨率。

2.2 色散型成像光谱仪

  色散型成像光谱仪是目前所有成像光谱仪器中形式最为成熟的，也因为其高性能和高环境适应性成为了应用最为广泛的成像光谱仪类型。色散型成像光谱仪现在已经成为航空、航天、地面、工业、实验室研究等应用领域中的高精度定量探测主要手段，发挥着举足轻重的作用。顾名思义，色散器件就是将入射的复合白光衍射为不同的单色光的核心光学元件，这种元件主要包括棱镜、光栅及其组合的分光器件。色散型成像光谱仪的基本组成包括狭缝、准直镜、色散分光器件、聚焦镜和探测器。

2.2.1 棱镜型成像光谱仪

  棱镜型成像光谱仪使用棱镜作为核心分光器件，其分光原理是组成棱镜的透射材料对不同波长具有不同的折射率。棱镜型成像光谱仪是各类色散型成像光谱仪中实施起来相对最容易的，结构也较为简单，其优点是可以在宽光谱下进行工作，工作带宽可以达到几百纳米甚至几个微米，缺点是色散率低，导致仪器的光谱分辨率难以做到很高，且光谱分辨率在整个工作波段上并不均一分布，而是随着工作波长的增大而增大

2.2.2 光栅型成像光谱仪

  较为常见的光栅型成像光谱仪有使用平面反射式光栅的 Czerny-Turner 成像光谱仪，使用凸面和凹面光栅的同心类成像光谱仪(主要为Offner 和 Dyson 成像光谱仪)，以及使用棱镜和透射光栅共同组成核心分光器件的 PG 或 PGP型成像光谱仪。光栅的色散率很高，因此光栅型成像光谱仪可以达到很高的光谱分辨率，但是由于光栅存在多级衍射效应，因此光栅型成像光谱仪的工作光谱不能过宽(级次滤光片可以一定程度上解决这一问题)，另外精密光栅的制作极为复杂，光谱仪的装调也比棱镜型成像光谱仪的装调更为复杂。

2.3 干涉型成像光谱仪

  干涉型成像光谱仪(一般指傅里叶变换光谱仪)的基本原理是利用了具备光程差的波长干涉效应。干涉型成像光谱仪的核心分光器件是分束器，将入射光束分成反射光和透射光两部分；传统傅里叶变换光谱仪(即迈克尔逊干涉仪)利用动镜产生不同的光程差，具有光程差的分束光线被后端聚焦镜组进行合束，并被探测器接收。通过对探测到的干涉图进行解析获取探测目标的特征光谱信息和成像信息，其光谱分辨率极高，干涉型成像光谱仪基本原理如图所示

2.4 快照式成像光谱仪

  快照型成像光谱仪本质上是对以上各种成像光谱仪的一种进化改型，通过对分光器件或是孔径光阑的处理和改进使得成像光谱仪具备在一定范围内同时获得三维数据立方体的能力。目前主要的快照型成像光谱仪主要有以下几种。

2.4.1 计算层析成像光谱仪

  这种类型的光谱仪是基于计算机生成的全息 图 色 散 元 件 (CGH: computer-generated hologram)设计而成。在传统光谱仪前端物镜成像处不再放置狭缝，而是放置可通过较大光通量的光阑，利用全息色散元件(如 Kinoform 光栅等)将混杂在一起的光谱信息和空间信息在探测器像面上的不同方向上进行投影，然后再利用CT 重建算法获取观测目标的三维数据立方体。其优点是由于狭缝处为光阑，因此可以直接通过凝视来获得一个观测场景下的所有成像和光谱信息，而无需推扫或其他运动部件。计算层析成像光谱仪目前已经有了较为广泛的应用，在军事动态目标监测、生物医学临床图像结构获取、以及天文行星空间监测等领域都有建树。计算层析成像光谱仪的主要问题在于不容
易获得较高的光谱分辨率，且在由低维投影数据计算高维原始图像过程中会产生一定的信息损失而影响重建图像的质量，另外重建图像过程的实时性相对较差。

2.4.2 编码孔径计算成像光谱仪

  这种成像光谱仪使用编码孔径板(通常为随机生成的二维二进制数字编码板)代替传统色散成像光谱仪中的狭缝，后端的色散成像系统对经过编码板编码后的图像进行接收和色散成像，并将观测场景的连续光谱图像投影在探测器上。研究人员通过图像稀疏矩阵解析等方法对
探测器接收信息进行解码获得最终所需的观测图像重建，原理如图 5(B)所示。编码孔径成像光谱仪的核心器件为编码孔径器件，一般有移动式机械模板、液晶空间光调制器、数字微镜器件(DMD)，其中 DMD 是目前应用较多编码孔径器件，兼具数字电路灵活可控性与理想二值编码加载的优点。编码孔径计算成像光谱仪是当今的成像光谱仪发展热门之一，其观测效率高，获取信息量大，具有很好的应用前景。但是这类光谱仪的工程化应用还需要更好的解决几个核心问题，包括：具备高精度和高环境适应性的二维孔径编码板的制造，具备高时间分辨率的实时解码算法的发展，光谱分辨率与解码算法之间的矛盾(具有
高色散率的色散元件的应用会快速提升解码算法的复杂度)等。

2.4.3 滤光片堆栈成像光谱仪

  滤光片堆栈成像光谱仪顾名思义就是使用一系列彼此存在一定夹角的窄带滤光片堆栈组代替单一的滤光片或滤光片轮，进而提高传统的多光谱相机时间分辨率，在同一观测时间内获取观测场景的多光谱成像信息，如图 5©。这种形式的成像光谱仪可以代替传统的多光谱相
机应用在各类测绘场景中。但是这种滤光片堆栈式的成像光谱仪同时获取的光谱通道数无法达到很多，且多个滤光片安装而成的堆栈对于后端的成像镜组要求较高，当滤光片较多时成像镜组和探测器像面均要求很大。

2.4.4 光纤重组成像光谱仪

  光纤重组成像光谱仪借助光纤束实现对前端物镜的成像信息接收和后端的整形图像输出。光纤束将前端接收的信息通过光纤合束实现一维的信息排列，此信息被后端色散成像系统接收并最终成像在像面上。此类成像光谱仪目前也开始得到一定的应用，其主
要需解决的问题是减小光纤合束重组时信息和光通量的损失。

2.4.5 微透镜阵列场积分成像光谱仪

  微透镜阵列场积分成像光谱仪使用微透镜阵列对前置物镜所成的中间像进行细分，再通过中间孔径后被后端色散成像光谱系统接收并最终成像在探测器像面上。此类成像光谱仪的主要成像能力取决于微透镜阵列的性能参数。微透镜阵列积分视场成像光谱仪最早在天文领域进行应用，可以通过一次曝光实现二维目标三维立方体数据采集，从而对天体进行观测，在国外的大部分大型望远镜上基本都配备有微透镜阵列积分视场成像光谱仪。与微透镜阵列场积分成像光谱仪原理类似
的另一种成像光谱仪的形式为细分成像切片镜场积分成像光谱仪，采用在一个反射镜上加工出不同楔角的长切片实现对图像的场重建。微透镜阵列场积分成像光谱仪的核心关键技术是微透镜阵列的制造，因此不能做的太大，且性能受限于微透镜阵列自身的性能；而细分成像切片镜的加工难度极大，目前仅有极少数国家具备同类元器件的加工技术，且价格十分昂贵。

2.4.6 映射式成像光谱仪

  映射式成像光谱仪通过中间的映射镜将图像切分为不同的条状场景，并且综合利用了棱镜阵列和微透镜阵列将不同切分场景进行色散成像，从而在探测器上获得一系列子图像，再通过算法将各子图像进行融合重建即可获得最终的高光谱图像立方体数据。此类成像光谱仪在
元器件制作和整体集成上都有一定的难度，且光谱分辨率也不易做到很高。

总结

  滤光型成像光谱仪本质上即为高光谱相机，也是最早在工程中应用的成像光谱仪类型之一，目前技术相对最为成熟，尤其在具备超高空间分辨率的多光谱详查和测绘相机载荷中应用最为广泛。在所有的成像光谱仪形式中，滤光型成像光谱仪一般而言是体积最小和最为紧凑的，覆盖场景能力(视场角)也是最大的，因此在有高机动性要求的小型平台如无人机平台等上搭载可以发挥巨大的作用。在未来，无论是星载平台还是机载平台，滤光型成像光谱仪仍然是重要的仪器应用类型之一。另外，随着制造技术的不断发展，干涉式滤光片的线宽将可进一步减小达到与色散型成像光谱仪的光谱分辨能力同等的程度，而随着各种光学可调谐器件的进一步发展，其光谱分辨能力也将获得进一步提高，达到甚至超过干涉型成像光谱仪的光谱分辨率，因此滤光型成像光谱仪也将随着各种先进技术的发展而进一步焕发青春。色散型成像光谱仪一直是成像光谱仪的主要代表形式和应用形式，这种类型的成像光谱仪从单色仪发展而来，且环境适应性很高，因此也是目前各类星载、机载、船载、地基高光谱成像仪的主流结构形式。国内外的多个星上高精度定量观测载荷均采用了色散型成像光谱仪的形式，可以说色散型成像光谱仪的发展已经进入了成熟阶段。随着制造技术和设计技术的进一步发展，变线间距光栅、特殊曲面光栅、特殊曲面棱镜等特殊色散元件逐渐开始得到应用，这势必将为色散型成像光谱仪的性能进一步发展提供技术基础。在我国，特种光栅的制造生产能力还相对薄弱，一定程度上影响了具备自主知识产权的色散型成像光谱仪的研制和发展；另外我国的高光谱成像仪商业化发展也比较滞后，而色散型成像光谱仪在我国的各类科研工作中是存在较大缺口的，使用产品主要以国外厂商的设备为主，需要进行产业化的关键技术攻关与发展。干涉型成像光谱仪在各类高精度探测和校准仪器中得到了广泛应用。除了应用于星上和飞行平台进行大气、风场等环境参数的高精度监测外，另一大重要应用就是地面检测校准仪器，如Zygo 和 4D 干涉仪等。我国的西安光机所、安徽光机所和空天创新研究院在此领域具有很好的研究基础，其自主开发的仪器除了在卫星平台上得到应用外，也开始在地面上应用于实验室检测校准。快照式成像光谱仪是近年来开始得到全面研究的新兴研究领域，这种成像光谱仪在传统成像光谱仪的基础上综合了数学、物理、微纳器件、图像算法甚至深度学习等多学科知识，力图在最大程度上快速完整的获得整个探测场景的三维立方数据体。虽然目前这一领域还存在着一些技术瓶颈，但是在未来，快照式成像光谱仪必将在军事应用、环境监测、目标识别领域得到应用。成像光谱仪发展的另一个重要方向是微小型化的应用，即将分光能力和器件最大程度的集成化和小型化。目前基于 MEMS 的可调谐滤光型成像光谱仪、傅里叶变换干涉型成像光谱仪和光栅式的色散型成像光谱仪已经基本实现了商业化，部分仪器甚至已经实现了消费级应用。随着相关技术的发展，各类微小型成像光谱仪的性能还可以得到进一步的提升。而在未来随着快照型计算式成像光谱技术的进一步发展，有望将已达到极小体积(百微米级别)的核心器件和设备缩小到 10 微米级别。成像光谱技术是一门融合了传统光学和新兴技术的特殊学科，且将随着人类需求的提升和技术的发展而不断焕发出新的生命力。我国的成像光谱仪虽然起步较晚，但是在仪器核心设计、研制、集成和应用方面都得到了很好的发展，很多领域都处于国际领先地位。本领域从业者需进一步加强本领域的基础性前沿研究，强化我国在此领域的研究基础；同时提高核心元器件的自主设计制造能力，提升发展应用水平，打破国外的工业化垄断。
参考文献：于磊．成像光谱仪的发展与应用[J/OL]．红外与激光工程.