超光谱成像技术

超光谱成像技术

摘要

文章介绍了超光谱成像技术的基本概念、关键问题、主要应用目标和原理， 综述了超光谱成像技术的国内外发展现状；综合考虑目标红外辐射特性、大气传

输透过率、色散式光谱仪辐射传递特性、选用红外探测器参数、数据链传输等环

节，研究了成像光谱探测系统的辐射能量传递模型，并对光谱成像仪的主要光谱

成像方式做了简单介绍；简要概括了典型星载超光谱成像仪的原理、主要技术指

标以及其应用场合等,并对其未来发展趋势作简要概括；最后对全文做简单总结 以及对我国发展超光谱成像技术提出一些建议。

关键词：超光谱成像 遥感 成像光谱 光谱探测 超光谱成像仪

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超光谱成像技术

1 前言

超光谱成像技术是在多光谱成像技术基础上发展起来的新技术。它是一种

集光学、光谱学、精密机械、电子技术及计算机技术于一体的新型遥感技术，能获得空间维和光谱维的丰富信息，属于当前可见红外遥感器的前沿科学。由其物化的成像光谱仪，根据光谱分辨率(光学遥感器的性能指标之一，是指遥感器在接收目标辐射的光谱时，能分辨的最小波长间隔。这种间隔越窄，光谱分辨率越高)的不同，可分为多光谱型、超光谱型和超高光谱型三种，其光谱分辨率分别为几十个、数百个和上千个谱段。

传统的光学成像技术是利用物质的形态特征来区分它们，而这种技术并不总是高效率的。例如，对海水中叶绿素浓度的测量单靠形态学的特征，其测量精度往往是很低的。然而，若利用物质光谱特征法来进行解决，便可得到人们极其满意的结果。众所周知，任何两种不同的物质决不会有完全相同的光谱特性曲线。反之，任何一种物质也决不会有两种不同的光谱特性曲线。也就是说，物质的光谱特性曲线是唯一的。

早在上世纪 60 年代，最初的多光谱成像技术应用于地球资源卫星和军事卫星，此时能够探测的光谱波段不超过 10 个。随着军事侦察、监视需求的拓展，对目标需要更详细深入的了解，以便进行分析、判断和作战决策，这就需要获取更多的光谱段上的信息；同时由于各种分光技术的以及工作于各波段的大规模焦平面阵列及多路读出电路等核心技术的进展，迅速推动了超光谱技术的发展。工程上规定多光谱探测技术采用的工作波段较少，一般为 10-20 个，光谱分辨率在△λ/λ=0.1 左右。超光谱探测技术采用更多的工作波段，一般为 100-200 个，光谱分辨率在△λ/λ=0.01 左右。目前，随着技术的发展，已经出现了超高光谱探测技术的概念，即工作波段达到约 1000 个，△λ/λ≤0.001。

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相比多光谱探测技术而言，超光谱探测设备由于有更高的光谱分辨率，可在大量波段上工作，所以可用于多种工作场合，有更强的适应性，并且可以作为多光谱探测设备最佳波段选择的研究工具。下文将简要介绍超光谱成像技术的内涵、关键问题、应用、国内外现状及发展。

1.1 超光谱成像技术简介

1.1.1 超光谱成像的内涵

超光谱成像探测技术是新一代光电探测技术，它不同于传统的单一宽波段成像技术，它将成像技术和光谱测量技术结合在一起，获取的信息不仅包括二维空间信息，还包含随波长分布的光谱辐射信息，形成所谓的“数据立方体”，见图 1-1所示。

该技术利用具有一定光谱分辨率的超光谱图像进行目标探测，这种光谱图像数据具有“图谱合一”的特性，相比传统的单一宽波段光电探测技术，能够提供更加丰富的目标场景信息，在目标材质识别、异常目标检测、伪装目标辨识、复杂背景抑制等目标探测技术领域都有着极为重要的应用。

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图 1-1 超光谱成像的“数据立方（data cube）”

该技术最大的特点就是能够将工作光谱区精细划分为多个谱段，并同时在各谱段对目标场景成像探测。由于绝大多数物质都有其独特的辐射、反射或吸收光谱特征，因此根据阵列探测器上探测到的目标物光谱分布特征，可以准确地分辨像素所对应的目标成分。

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其所形成的成像光谱图像可以被看成是成像光谱仪在四个层次（空间、辐射能量、时间和光谱）上进行采样所得到的数据。在传感器瞬时视场角不变的条件下，空间采样间隔的大小与飞行高度有关；辐射能量的采样大小决定传感器在不同波段内用多少字节来进行量化（即图像的灰度等级）；时间采样大小则是由飞行器连续飞过同一地点的时间间隔确定；而光谱采样则是由传感器的光谱分辨率确定，通常超光谱传感器能够以小于 10nm 的光谱间隔采样，使得通过检测细微光谱特征（例如窄带光谱吸收特征）来鉴别物质类型的遥感探测技术成为可能。

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1.1.2 超光谱成像技术的关键问题

目前存在于超光谱成像探测技术领域的几个主要问题主要是：

（1）超光谱成像光谱仪的设计。这是一种将光学、光谱学、精密机械、微电子技术及计算机技术融于一体的新型遥感技术，实现光谱成像的方法多样，系统集成复杂。光谱成像仪的设计不仅取决于元件性能的优劣，更重要的在于设计者的能力和经验。

（2）大气传输的校正。要得到真实的光谱辐射信息，必需要对大气的传输影响进行消除。目前在设计阶段和光谱数据的预处理上，通常采用专业大气传输计算软件 LOWTRAN 或 MODTRAN 来进行透过率计算分析。

（3）光谱数据的分析处理。处理算法多样，主要应用到信号分析领域中二元假设分类算法、相关分析、匹配滤波器、最佳波段选择、亚像素目标判别、CFAR分类、神经网络分类等诸多算法。

（4）光谱数据库的建立。在有效地运用超光谱成像技术探测目标之前，需要提前对各种特定目标进行光谱特征测定，建立标准目标光谱数据库，这是一个庞大而艰巨的任务。

1.2 超光谱成像技术的应用

任何物质无论其是以固态、液态还是气态方式存在，都有着固有的光谱特性

(与其化学材料的组成有关)，其固有特性利用光谱分析的办法获得。而成像光

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谱仪可同时获得这些固体、液体和气体物质的光谱特性和空间分布，从而利用其光谱特性分辨其所对应的目标成分。

光谱成像技术可以根据需要应用在可见/近红外波段（0.4-2.5μm）、中波红外波段（3-5μm）、长波红外波段（8-14μm）等不同的光谱范围。可见/近红外波段是太阳反射光谱区，在该波段探测地表物体的反射可以获取土壤类型、水体特性、植被分布以及军事装备、军队部署等信息。中波红外波段的超光谱成像技术可用于探测飞机尾喷气流、爆炸气体等高温物体的辐射光谱特征；长波红外波段则是多种化学物质的吸收特征光谱所在区域，可用于生化战剂的探测。此外，长波红外波段还是实现昼夜战场侦查、监视，识别伪目标、消除背景干扰的主要光谱。

超光谱成像仪的典型应用有以下几个方面: l)景物识别

超光谱成像光谱仪可获得景物目标精细光谱,从而可获得更加准确的景物目标特性,用于自然资源开发、管理等方面。如探矿、作物估产、植被分类等。

2)景物目标动态过程监测

自然灾害不断发生，人类活动不断破坏环境的生态平衡。过分的开垦导致草原沙漠化；过多的砍伐导致大面积的水土流失；水体污染及过分开发导致频繁的大面积海洋赤潮等等。这些现象的发生和发展都有一个缓慢的变化过程,对应着一定的光谱变化，如:植被的光谱“蓝移”、“红移”以及估算植物和水体叶绿素在可见光波段的荧光峰值的变化等。准确的探测这些变化过程和区域，需要成像仪光谱分辨率在3一5nm，甚至更高。

3)大气探测应用

超光谱的大气应用主要包括两方面:一方面，测定地球大气中温室气体含量如臭氧及污染气体成分；另一方面进行大气温度和水汽垂直分布的确定，大气过程研究、地球表面成分分析等，以气象应用为主，它需要光谱分辨率为0.01一1cm,大气探测对光谱分辨率的要求较高。

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4)军事应用

超光谱成像光谱仪的军事应用主要表现在:军事目标的识别、战场打击效果评价、导弹预警系统及红外对抗等方面。超光谱成像光谱仪可以获得较精细的目标光谱曲线,用它获得的图像,可进行军事装备的识别和军事武器部署的侦察；通过观测战场的光谱变化,可获得对大规模地面战争打击效果评价；通过红外超光谱的探测烟雾，获得战场上武器利用情况,如是否采用了核武器或生化武器等。

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1.3 超光谱成像技术发展状况

超光谱成像探测技术的发展首先是从遥感领域开始的，20 世纪 80 年代国际遥感发展最具标志性的成果就是成像光谱仪的出现，它的出现开启了超光谱成像探测技术的开端。

目前，已有许多国家相继研制出各具特色的成像光谱仪，数量达四十种之多，这些传感器有的己经进入了商业运营，技术比较成熟。此外，许多具有高空间分辨率和高光谱分辨率的成像光谱仪正在或即将进入实用阶段。

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1.3.1 国外航天超光谱成像仪的发展

国外对干涉成像光谱技术的研究主要是从80年代开始的。当时大多采用迈克尔逊干涉仪的动镜扫描干涉型超光谱成像仪。

80年代末90年代初，随着面阵探测器阵列制造技术的不断提高，国外不少机构开始研究无动镜干涉成像光谱技术。由于特定成像光谱波段的选择是以目标和其背景为基础，因此要求合适的具有光谱和极化区分能力的超光谱成像系统来完成遥感任务。

美国NASA研制了数字阵列扫描干涉型超光谱成像仪DASI，波段范围是0.4一1.0µm和1.1一2.2µm，光谱分辨率为300cm(对应可见光逝红外波段的谱段数50个，短波红外可分辨谱段数约为15个)，视场角5o，体积400mm×150mm

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×100mm。在地面进行了多次不同谱段的测量实验，结果表明它具有很多优点，非常适合遥感使用。1994年DASI进行了机载试验,获得了农田的多光谱图像。

法国国家空间研究中心在1987年提出一种无动镜干涉成像光谱系统ISIS，光谱范围0.45一1.0µm，探测器为144×208元面阵。在进行多次测量实验后，验证了其具有很多优点，为超光谱成像奠定了良好基础。

表1给出了国外研制的典型超光谱成像仪的一些参数

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表1 国外超光谱成像光谱仪研制现状

1.3.2我国超光谱成像仪现状

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我国从90年代开始跟踪国外的超光谱成像新技术理论，目前已经掌握了光栅对光谱精细分光的技术，研制出了原理样机，在分光设计、焦面驱动、信号处理、定标、数据编码等技术上都取得了突破性进展。

2000年我国做出了机载64波段超光谱成像仪(MAIS)，并进行了校飞，对不同的地物目标进行了实际拍摄，获得了大量数据。同时，还开始了128波段超光谱成像仪(OMIS)的研制工作。当然，对我国正在研制的亚太地区空间技术与应用多边合作小卫星(SMMS)上将使用的超光谱成像仪，现有技术还需要作很大提高，如：光栅的研制、信号处理电路、星载定标灯技术等。

表2给出了我国研制的超光谱成像仪的主要参数

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表2 中国(准超光谱、超光谱)成像光谱仪研制现状

1.4 发展趋势

（1） 在军事上的应用会越来越广泛，将被越来越多的军事单位应用于多种军事需要。

（2） 对各种目标/背景光谱特性的研究将越来越深入，逐步建立大量标准光谱特征数据库。

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（3） 各种新材料、新技术的应用将导致新的成像光谱仪器体积更小、性能更高。

（4） 大规模图像传感器阵列、读出电路、存储介质和信息处理技术的发展，将推动该技术向更高的光谱分辨率、更高的空间分辨率方向发展。

（5） 光谱、图像数据的处理算法将更高效、更快捷，进一步满足实时处理的需要。

2 超光谱成像技术的理论基础

超光谱成像技术需要利用各种成像光谱仪器对包含目标的场景进行观测，以获取不同光谱分辨率和空间分辨率的光谱图像数据集，在此基础上再选择适当的处理算法对光谱数据和图像数据进行处理，正确地判识出目标。成像光谱探测技术的成像过程涉及的因素复杂，不同景物、环境条件和观测传感器对获取的结果影响很大，如何正确理解、处理所获取的数据，是准确判断目标的前提和关键。此外，对不同光谱分辨率和空间分辨率的光谱图像数据，以及不同的探测需求，所需采取的处理方法也有所不同。

2.1 成像光谱探测技术的成像机理

2.1.1 物质的光谱特性

成像光谱探测技术，类似于测谱学，接收的是经过与物质发生相互作用后的各个不同波段的电磁波。众所周知，任何物体在热力学温度为 0 K 以上时，都会向外发射电磁辐射，同时也会吸收、反射外界射入的电磁辐射。不同的物质，其反射和发射电磁辐射的能力是不同的，由其自身组成结构决定，具有固定的特征，是可以进行光谱判别的依据。

自然界中多种多样的物质都是由大量各种不同种类的原子和不同结构的分子组合在一起的，根据物质的电磁波理论，原子、分子的振动会导致不同能级间电子的跃迁，从而辐射出特有波长的电磁波，理论计算显示，分子振动能量级差较小，相应的光谱出现于近中红外区，而原子振动能级之间的差距一般较大，产生的光谱位于近红外、可见光范围。基于这种原因，不同的物质产生的

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电磁波谱具有特定的反射率和发射率光谱特征，这被称为它的电磁辐射发散光谱或简称为特征光谱。例如，植被的叶子之所以能看出绿色是由于叶子中的叶绿素对太阳光的蓝、红色波长吸收强烈而对绿色波长反射强烈的缘故。通过对物质的这种独有的特征光谱的探测和识别，不管离它有多远，都可以准确识别是哪种原子或分子产生的，这就是光谱的“指纹效应”

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虽然，不同的地物具有特定的反射率和发射率光谱特征曲线，但是实际由成像光谱仪器得到的光谱辐射曲线却并非等同于反射率或发射率光谱特征曲线，而且也不是一成不变的。这是因为成像光谱仪的成像过程经过许多环节，当外界光源、自身温度、大气环境、乃至于采用传感器的不同，都会导致最终采集的数据发生变化。

2.1.2 大气效应对光电探测的影响

大气成分主要包括各种气体分子和其他微粒。气体分子主要有 N2和 O2，约占 99％，其余 1％是 O3、CO2、H2O 及其他气体（N2O、CH4、NH3等）。大气中的微粒主要有烟、尘埃、雾霾、小水滴及气溶胶。气溶胶是一种固体和液体的悬浮物，一般直径大小 0.01—30 µm 之间，多分布在高度 5 km 以下。 大气层自下而上依次分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。遥感利用的一切辐射都必然经过地球的大气层，由于遥感器的工作波段选择的原因，对遥感器接收到的电磁辐射影响最大的是对流层和平流层。

当遥感器穿过大气观测时，必然要受到大气散射、吸收和反射的影响： （1）大气散射

电磁辐射在非均匀介质或各向异构介质中传播时，改变原来传播方向的现象称为散射。大气散射时电磁辐射能受到大气分子或气溶胶等的作用，改变传播方向。大气散射的强度取决于微粒的大小、含量、辐射波长和穿过的大气厚度。

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大气散射有两种存在形式，一种是瑞利散射，一种是 Mie 氏散射。瑞利散射在散射粒子直径远小于电磁波长时发生，主要由大气中的各种气体分子产生，瑞利散射强度与λ成正比，因而可见光谱蓝光区的散射远较红光区为强，这就是天空是蓝色的原理。当散射粒子的直径大于电磁波长的 0.03 倍以上时，就会发生 Mie 氏散射效应。所以，大气对可见光/近红外波段的电磁辐射呈现出瑞利散射和 Mie 氏散射共同作用的结果。

散射使得大气自身具有亮度，对于遥感应用也产生了重要的影响

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。首先，

大气散射使得地物表面获得了额外的光照；其次，部分大气散射光可以直接进入传感器，形成了背景照度。 （2）大气吸收与反射

电磁辐射穿过大气时，还要受到大气分子等的吸收作用，造成能量的衰减。大气中的臭氧（O3）、二氧化碳（CO2）和水汽（H2O）对太阳辐射的吸收最显著。它们在紫外、近红外、中波红外、长波红外等区域具有宽窄不一的吸收带，对电磁辐射的传输造成限制。同时，大气自身的热辐射也会经过地物反射进入传感器，或直接进入传感器形成背景辐射。

太阳辐射在穿过大气层时要受到大气反射、吸收等作用，不同的电磁波段通过大气后的衰减程度是不一样的，因而，地面遥感所能够使用的电磁波范围是有限的。有些波段的透过率很小，甚至完全无法透过，这称为“大气屏障”；反之，有些波段的电磁辐射通过大气后衰减很小，透过率很高，通常称为“大气窗口”。目前，遥感常用的大气窗口主要有三个

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：可见光/近红外窗口（0.45

—2.5 µm）、中波红外窗口（3—5 µm）、长波红外窗口（8—14 µm）。

2.1.3 光谱成像探测模型

根据不同需要，成像光谱探测技术可以应用在不同的波段范围内，在可见光/近红外波段、中波红外波段、长波（热）红外波段均可进行成像光谱探测。探测模型是定量研究传感器接收光谱信号的重要工具，电磁辐射从辐射源到探

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测器之间的传输过程中，要经历吸收、辐射、反射、散射等一系列过程，在不同的波段，探测模型需要考虑的因素有所不同。 2.1.3.1 可见光/近红外波段的探测模型

在这一波段，太阳是遥感的主要光源。太阳中心温度约为1.5×107K，表面温度约6000 K，其辐射的总功率为3.826×1026W，表面的辐射出射度为6.284×107W·m-2。太阳的辐射光谱从X射线一直延伸到无线电波，是一个综合波谱。从图2-1中可以看出太阳辐射的大部分能量集中于近紫外—中波红外(0.31—5.6um)范围内，占全部能量的97.5％，其中可见光占43.5％，近红外占36.8％。在此区间内太阳辐射强度的变化很小，可以当作很稳定的辐射源。其他波段的太阳辐射则可以忽略。

图2-1 太阳和地表的光谱辐射亮度曲线

到达地球外边界的太阳辐射一部分被大气层反射回太空(约30％)，另一部分被大气吸收(约17％)，还有一部分被散射成为漫射辐射到达地表(约22％)。 这样，只有约31％的太阳辐射作为直射太阳辐射到达地球表面。图2-2所示为可见光/近红外波段的成像光谱仪器探测模型，在这个波段，传感器所能接

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收的光能有三个来源：（1）地表反射的太阳光；（2）地表反射的大气散射

太阳光；（3）大气散射的太阳光。传感器接收的光辐射能量是以上三项之和。

图2-2 可见光/近红外波段探测模型

对于第一项，太阳光经过地表反射后到达传感器，在这个过程中会受到大气分子和气溶胶的散射作用而衰减，地物表面一般被看作漫反射的朗伯体表面，这样此部分到达传感器的辐射光亮度可以表示为：

Ls()()Es()u()/()u()d()ES0()cos/ (2-1)

式中：Ls (λ) 为到达传感器的光谱辐射亮度，ρ(λ)为地物表面的漫反射率，Es(λ) 为到达地表的太阳光谱辐射照度，τd(λ)为太阳到地表的大气光谱透过率，τu(λ)为地表到传感器之间的大气光谱透过率， Es0为外层大气接收的法向太阳光谱辐照度，θ为地表法向矢量与太阳入射光之间的夹角。

第二项是大气散射光经地面反射后到达传感器的光辐射源，由于地表面元所处的地形、环境不同，其所能接收的大气散射光范围有限，设 Eat(λ) 为地表面元在无遮挡、无倾斜时大气层对其产生的总的散射光谱辐照度，用参数P表示地表面元能够接收的大气散射光占总量的比例，这样该辐射部分可以表达为：

Lat()P()u()Eat()/11

(2-2)

它在传感器像面上形成 第三项是地表面元与传感器之间的大气后向散射光，

杂散背景，由于不同位置的大气条件差异，像面上不同位置获得的背景照度有所不同，但对于平稳的大气环境、较小的视场情况，这种差异并不明显。 2.1.3.2 红外波段的探测模型

地表平均温度为300 K，其中心辐射强度位于10µm附近（长波红外波段）。从中波红外到长波红外区域，由太阳辐射引起的反射能量越来越小，而地球和大气的自发辐射逐渐增强，大约在4.5µm处，两个辐射源的能量达到平衡。热红外波段（8—14µm）的探测模型参见图2-3，在这个波段，太阳的辐射很小，可以忽略不计，入射到传感器的热辐射能量也包括三个部分

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：（1）地表的热

发射辐射部分；（2）大气下行热发射辐射被地表反射的部分；（3）由地表到传感器之间的路径大气上行热辐射部分。传感器接收的热红外辐射能量是这三项之和。

图 2-3 热（长波）红外波段的探测模型

其中，第一项为地物的自发辐射部分，对于黑体，可以按照黑体辐射定律中的 Planc 公式，根据地物表面的温度和辐射波长，计算出其表面光谱辐射出射度或光谱辐射亮度。由于自然界中的绝大多数物质都不是黑体，而是选择性吸收体，因此必须要乘以光谱发射率，不同物质有其特有的光谱发射率。考虑到大气对辐射的衰减，这一部分可以用公式表达为：

Lsur()()()Lb(,T) (2-3)

式中，Lsur (λ)为地表辐射经过大气传输到达传感器的光谱辐射亮度，ε(λ)

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为地物特有的光谱发射率，τ(λ)为地表侄传感器之间的大气传输透过率， Lb( λ,T)为温度为 T，波长λ 处的黑体辐射光谱亮度：

Lb(,T)2hc/[(2-4)

2(e5hc/KT1)]

第二部分辐射能量是由大气下行热辐射被地表反射部分构成，这一部分与式（2-1）类似。

第三部分是大气上行热辐射部分。

以上给出的是热（长波）红外波段的遥感器观测模型，需要注意的是，如果在中波红外波段进行遥感观测，必须要考虑太阳在这一波段的辐射和反射影响。

2.1.4 传感器模型

2.1.4.1 传感器一般系统模型

图 2-4 所示为光谱成像遥感器的一般系统框图，由目标发出的辐射经过扫描系统或直接（不使用扫描系统）进入成像光学系统，成像光学系统中的滤波或色散元件将入射宽带辐射分解为具有一定光谱分辨率的窄带辐射，汇聚在探测器表面，由探测器响应输出与入射辐射能量成比例的电信号，经电子系统增益放大后，再经过A/D转换，最终成为量化的光谱强度数字信号。

图 2-4 成像光谱仪系统框图

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传感器的空间响应和光谱辐射响应决定了输出图像的各种特性。传感器在对地面景物成像时，由传感器的光学系统、探测器和电子系统引起两种空间效应

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：模糊效应和几何畸变效应，使对地面成像不一定能够确切的反映实际景

物。

辐射量通过光学系统，由分光元件分成不同的光谱波段后达到探测器平面，然后为探测器所接收，转换为电测量值。这个过程涉及到两个与波长有关的函数，光学系统的透过率函数以及探测器的光谱灵敏度函数，这两个函数的乘积就是传感器的光谱响应函数 S (λ)。传感器的测量值为：

U21S()E()d (2-5)

式中，λ1、λ2为该通道接收的光谱范围， E (λ)为入瞳的光谱辐射量，U是电信号，单位一般为安培或伏特。探测器产生的电信号经过A/D转换变成数字输出值。为了保证A/D转换器的输出不饱和，有一定的动态范围，电信号一般要经过偏置与放大，产生适合于A/D转换器的输入值Ui:

UiGUb (2-6)

其中，G、b为放大器的增益与偏置值。 Ui数字化后便为最终的图像数据DN值。 2.1.4.2 成像光谱仪的光谱成像方式

经过二十多年的发展，目前，人们已经研制出了种类繁多的成像光谱仪，它们采用不同的分光机理，在使用场合、光谱分辨率、仪器体积、性能等方面均有所差异。根据分光的原理不同，可以将成像光谱技术分为

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：棱镜光栅色

散型、干涉型、滤光片型、调谐型、计算层析型、二元光学元件型、三维成像型光谱技术。下面将简要介绍几种主要的成像光谱技术： （1）棱镜、光栅色散型成像光谱仪

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色散型成像光谱技术出现比较早，技术比较成熟。入射狭缝位于准直系统的前焦面上，入射辐射经准直光学系统准直后，经棱镜和光栅狭缝色散后由成像系统将光能按波长顺序成像在探测器的不同位置上。色散型成像光谱仪按探测器的构造，可分为线列与面阵两大类，它们分别称之为摆扫型(whiskbroom)成像光谱仪和推扫型(pushbroom)成像光谱仪，它们的原理如图 2-5 所示。

图 2-5 摆扫型、推扫型成像光谱仪原理框图

在摆扫型成像光谱仪中，线列探测器用于探测某一瞬时视场(即目标区所对应的某一空间像元)内目标点的光谱分布。此种成像光谱仪的代表有AVIRIS 和中等分辨率成像光谱仪（MODIS）等。

在推扫型成像光谱仪中，面阵探测器用于同时记录目标上排成一行的多个相邻像元的光谱，面阵探测器的一个方向用于记录目标的空间信息，另一个方向用于记录目标光谱信息。此种成像光谱仪的代表有 AIS、HRIS、HIS、MODIS-T 等。

（2）干涉型成像光谱仪

干涉型成像光谱技术在获取目标的空间二维信息方面与色散型技术类似，通过摆扫或推扫对目标成像，但每个像元对应的光谱分布不是由色散元件形成，而是利用像元辐射的干涉图与其光谱图之间的傅立叶变换关系，通过探测像元

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辐射的干涉图和利用计算机技术对干涉图进行傅立叶变换，获得每个像元的光谱布。

目前，遥感用干涉成像光谱技术中，获取像元辐射干涉图的方法主要有三种

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：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，形成了三种典型的干涉成像光谱仪。 I）迈克尔逊型干涉成像光谱仪——时间调制型

此类型干涉成像光谱仪使用迈克尔逊干涉方法，通过动镜机械扫描，产生物面像元辐射的时间序列干涉图，再对干涉图进行傅立叶变换，便得到相应物面像元辐射的光谱图。它由前置光学系统、狭缝、准直镜、分束器、动镜、静镜、成像镜和探测器等部分组成，其光学原理如图 2-6 所示。

图 2-6 迈克尔逊型成像光谱仪原理框图

II）双折射型干涉成像光谱仪——空间调制型

双折射型干涉成像光谱仪是利用双折射偏振干涉方法，在垂直于狭缝的方向同时产生物面像元辐射的整个干涉图。它由前置光学系统、狭缝、准直镜、起偏器、Wo11aston 棱镜、检偏器和探测器等部分构成，其光学原理如图2-7 所示。

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图 2-7 双折射型干涉成像光谱仪原理图

III）三角共路型干涉成像光谱仪——空间调制型

三角共路(sagnac)型干涉成像光谱仪是用三角共路干涉方法，通过空间调制，产生物面的像和像元辐射的干涉图。它由前置光学系统、狭缝、分束器、反射镜、傅立叶透镜、柱面镜和探测器构成，其光学原理如图 2-8 所示。

图 2-8 三角共路型干涉成像光谱仪

上述三种类型的干涉成像光谱仪结构不同，性能各有所长。但归根结底，都是对两束光的光程差进行时间或空间调制，在探测面处得到光谱信息。 （3）滤光片型成像光谱仪

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滤光片型成像光谱仪采用相机加滤光片的方案，原理简单，种类繁多，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，包括声光可调谐滤光片、电光可调谐滤光片、双折射可调谐滤光片、液晶可调谐滤光片、法布里—珀罗可调谐滤光片等，应用在成像光谱仪上的主要有声光和液晶可调谐

滤光片。

声光可调谐滤光片（AOTF）利用声光衍射原理，它的电子驱动频率与衍射波长之间具有一定关系，称为调谐关系，通过电子调节声波的频率就可以完成一定光谱范围内的光谱扫描，图2-9所示为非共线TeO2声光可调谐滤光器的结

构。

图 2-9 非共线 TeO2声光可调谐滤光器的结构

光楔成像光谱仪包括—个安装在靠近面阵探测器的楔形多层膜介质干涉滤光片，探测器的每一行探测像元接收与滤光片透过波长对应的光谱带的能量。图2-10所示为采用光楔滤光片的成像光谱仪的基本结构。

18

图 2-10 光楔成像光谱仪

除了以上几种主要的成像光谱技术之外，其他原理不同的技术也在不断发展，典型的包括：计算机层析成像光谱技术、二元光学成像光谱技术和三维成像光谱技术，这些技术有已逐渐开始走向实际应用，有的还在研究阶段。

2.1.5 成像光谱仪器的综合系统模型

综合考虑前述大气效应的影响和传感器的系统模型，可以将这两种因素结合起来，用更为完整的综合模型来描述，综合系统模型的框图见图 2-11所示

[20]

。

图 2—11 成像光谱探测综合系统框图

19

图2—11中， Ls(λ)和Lsur(λ)分别为太阳辐射亮度和地表自发辐射亮度，τd(λ)、τu(λ)为大气透过率，Latd(λ)、Latu(λ) 为大气路径散射或辐射，ρ (λ)和ε(λ)分别为目标反射率和发射率，η(λ)为光学系统效率，R (λ)为探测器响应率，积分器∫表示探测器对波段 i 内的辐射进行积分，A为系统光学增益，Gi为 i 波段的电子系统增益，DNi0为光谱仪系统的偏压值，K为量化系数，DNi为量化值。

此时，系统的信号传递方程为：

Lin()[d()L()Latd()]()u()Latu()(2-7) (2-8)

(2-9)

Lin()[Lsur()Latd()]()u()Latu()DNi[A()R()Lin()d]GiKDNi0i 其中，Lin(λ)为入射至传感器的辐射亮度值，式（2-7）适用于可见光/近红外探测系统，式（2-8）适用于热红外探测系统。

2.2 超光谱成像探测技术原理

超光谱所携带的光谱信息提供了区别地物光谱细微差别的能力，使人们可以识别诸如树木的种类、道路的类型、不同湿润度的土壤等地物以及鉴别伪装和诱饵目标。总的来说，它在目标检测领域的潜在优势主要体现在： (1) 具有光谱识别和鉴别目标的能力，对图像空间分辨率的要求不高。 (2) 借助光谱信息可以在场景中区分真实和诱饵目标。 (3) 具有在复杂背景条件下自动检测图像异常的能力。

通常，目标检测算法是建立在一定先验信息的基础上(例如光谱数据库和地面真实测量结果)，但在实际应用中，要想获取这种先验信息非常困难。因此图像异常检测技术成为军事超光谱成像探测应用研究的重点。异常检测算子能够

20

在没有先验信息的条件下检测与周围环境存在光谱差异的目标(例如：在自然背景中的人造目标作为目标检测技术的一种特殊情况，异常检测与目标检测之间并没有本质的区别，异常检测实质上是一种特殊的目标检测)。

目前，目标检测算法根据探测目标模型的不同，可以分为基于纯点模型的检测算法和亚像元点目标检测算法，并且亚像元点目标检测算法还包括基于统计方式的亚像元点目标检测算法和基于几何方式的亚像元点目标检测算法

[21]

。

基于纯点模型的检测算法是从红外图像和多光谱图像的检测算法中发展而来的，例如，由 Reed 和 XiaoliYu 提出的自适应多波段的 CFAR 检测器是纯点模型中主要的检测算法，在没有先验信息的情况下就演化成 RX 算法，RX 算法是目前较为广泛使用的异常检测方法之一。基于统计方式的亚像元点目标检测算法是从 Kelly 提出的广义似然比决策准则演化而来。基于几何方式的亚像元点检测算法是由Harsanyi 和 Chang 从信号处理的匹配滤波理论演化而来的正交子空间投影( Orthogonal Subspace Projection, OSP)算法。

对以上算法的分析表明，目标检测算法和异常检测算法在技术层面上没有本质区别，许多目标检测算法都可以移植成为异常检测算法。综合分析目标检测和异常检测方法的特点发现：高光谱图像的检测算法主要是基于光谱维处理，其最终分离出目标的方法是基于 CFAR 准则，但是在如何消除背景数据干扰和噪声影响的层次上，各种算法各不相同。不过，虽然这些算法的理论基础不同，但其算子形式却都可以归结成线性滤波器。

3 典型星载超光谱成像仪

自20世纪80年代起，欧美发达国家先后投入了大量的人力物力进行高分辨率成像光谱仪的研制，其中大部分用于航天领域，而国内的超光谱成像仪起步较晚。下面简单介绍几种国内外典型星载超光谱成像仪的基本技术指标以及主要应用场合。

3.1 国内外典型星载超光谱成像仪 1) ROSIS成像光谱仪

21

1989年，德国研制了ROSIS(Reflective Optics System Imaging Spectrometer)

[22]

，主要应用于海洋水色及浮游植物等的监测，其原理如图3—

1所示。光谱范围0.43—0.85µm，光谱分辨率5nm，谱段数85个，视场角±8°，F/＃为3.6，量化位数12bit，分光元件采用光栅进行光谱分光。

图3—1 ROSIS原理图

2) 傅里叶变换成像光谱仪

2000年，美国发射了强力星2号（Might-SatⅡ），携带的傅里叶变换成像光谱仪（FTHSI）是国外唯一一台在轨工作的干涉型成像光谱仪

[23]

，从本质上来

看，这是一台带有实验性质的遥感器，分辨率较低，其工作原理如图3—2所示。相机采用推扫的成像方式，轨道高度500km，光谱范围0.475—1.05µm，光谱分辨率84.4nm，谱段数146个，空间分辨率30m，幅宽10—15.3km，视场角3°，量化位数12bit，VNIR探测器采用1024×1024硅CCD阵列，像元尺寸为14µm。

22

图3—2 Might SatⅡ原理图

3) COIS成像光谱仪

2000年，美国海军NEMO（Naval Earth Mapobsever）卫星上装载着COIS（Coastal Ocean Imaging Spectrometer）

[24]

发射成功，用来对海洋进行观测。

轨道高度605km，光谱范围0.4—2.5µm，光谱分辨率10nm，谱段数210个，空间分辨率60m，幅宽30km，信噪比在VNIR波段大于200，在SWIR波段大于100，视场角2.86°，探测器在PAN波段采用像元数为6000个，像元尺寸为18µm的CCD，在VNIR波段采用1024×1024元 的 硅CCD，像元尺寸18µm，在SWIR波段采用MCT阵列探测器，像元尺寸18µm。主光学系统采用离轴三反系统，光谱仪系统采用offner光栅分光的方式实现光谱分光。其光路图如图3—3所示。

23

图3—3 COIS光路图

4) CHRIS成像光谱仪

2001年10月，欧空局的CHRIS

[25]

［（Com-pact High Resolution Imaging

Spectrometer）装载在敏捷小卫星PROBA上发射，主要应用于陆地遥感和海洋的监测。轨 道高度830km，光谱范围0.4—1.05µm，光谱通道数为18或63个，光谱分辨率1.25（0.4µm）—1.1（1.05µm），空间分辨率25ｍ，幅宽13km，探测器采用1152×780元的CCD阵列，像元尺寸为22.5µm。分光元件采用棱镜进行光谱分光。其光路图如图3—4所示。

图3—4 CHRIS光路图

5) CRISM成像光谱仪

24

[26]

2005年8月，美国的CRISM装载在火星勘测卫星MRO上发射，主要用于

火星表面地质勘测和水质分析。轨道高度325km，光谱范围0.4—4.05µm，光谱分辨率6．55nm，谱段数558个，空间分辨率小于50ｍ，幅宽大于10km，SNR在2.3µm大于400，视场角2.06°。望远系统采用R-C系统，光谱仪采用offner结构，用分色片将光分成两束，探测器在VNIR波段采用640×480元的硅光电二极管阵列，像元尺寸为27µm，在IR波段采用640×480元的Hg Cd Te阵列探测器，像元尺寸为27µm。其光路图如图3—5所示。

图3—5 CRISM光路图

6) APEX成像光谱仪

2006年，欧空局发射了APEX

[27]

（Airborne Prism Experiment），能够在

恶劣的环境下工作，为未来的地球勘测成像光谱仪提供支持。相机采用推扫的成像方式，轨道高度4—10km，光谱范围：0.38—1.0µm（VNIR），0.94—2.5µm（SWIR），光谱带宽在VNIR波段小于5nm，在SWIR波段小于10nm，谱段数在VNIR波段为140个，在SWIR波段为145个，空间分辨率为7.5m，幅宽为3.7km，SNR为100，视场角±14°，探测器在VNIR波 段 采 用 硅CCD阵 列，SWIR波 段 采 用Hg Cd Te阵列探测器，像元数1000×256个，像元尺寸为30µm，制冷温度130K，分光系统采用棱镜进行光谱分光。其光路图如图3—6所示。

25

图3—6 APEX光路图

7) ARTEMIS成像光谱仪

2009年5月，美国空军的“米诺陶”火箭（Min-otaur I）将空军实验室的“战术星”-3（Tac Sat-3）

[28]

卫星发射升空，Tac Sat-3的主要仪器是一台高

分辨率的超光谱成像仪，称为ARTEMIS，其原理图如图3—7所示。轨道416km×446km，光谱范围0.4—2.5µm，空间分辨率4m，光谱分辨率5nm，是目前空间分辨率最高的超光谱相机。光谱仪系统采用offner光栅的结构型式。该卫星在2009年底开始陆军实验，主要用于战区指挥。

图3—7 ARTEMIS原理图

8) 环境一号超光谱成像仪

26

[29]

2008年我国发射的环境一号上超光谱成像仪的主要技术指标为光谱范围

0.45—0.95µm，谱段数110—128个，空间分辨率100m，幅宽5km。相机示意图如图3—8所示。

图3—8 环境一号超光谱成像仪示意图

3.2 星载超光谱成像仪发展趋势展望

由以上分析可知，国内外的超光谱成像仪目前主流的技术指标为工作谱段覆盖可见光至短波红外谱段，光谱分辨率为一般可达到10nm，空间分辨率为30m、幅宽为30km，分光方式有色散分光和干涉分光两种。发展趋势主要有以下几个方面：

1. 空间分辨率和光谱分辨率不断提高，随着光学技术和探测器技术的不断发展，超光谱成像仪已经由主流的空间分辨率30m、光谱分辨率10nm发展到更高水平，美国2009年发射的TacSat—3上的ARTEMIS空间分辨率已达4m，光谱分辨率5nm。

2. 分光方式以色散分光为主，国外的星载超光谱成像仪除了美国2000年发射的Mightsat Ⅱ采用干涉分光方式外，其他全部采用色散的分光方式，其中，美国的Hyperion、COIS、CRISM、TacSat—3等都全部采用offner光栅分光的

27

方式实现光谱分光，占国外星载超光谱成像仪的绝大多数，随着凸面光栅加工工艺的不断发展，offner光栅分光已经成为一个重要的发展方向。

3. 刈幅宽度有增大的趋势，随着探测器技术的不断发展，超光谱成像仪的幅宽已经由原来30km逐渐增大。

随着超光谱成像技术的不断发展，星载超光谱成像将被应用在越来越多的领域，发展前景广阔。它在军事上可用于识别各种伪装目标，探测大规模杀伤性武器的释放，调查武器生产、海军作战、打效果评价、检测我军战略武器、基地的伪装效果、改进和发展我国的伪装技术。

民用领域可应用于农作物长势和产量评估、作物类别调查和病虫害监测、林业遥感、海洋资源普查、水色水质变化、叶绿素和浮游生物含量分析、海岸带和海洋生态变化及海洋污染监测、地质资源调查、环境监测、洪涝、干旱、冰雹、林火和地震等多种灾害监测与灾情评估。

4 总结与未来工作展望

4.1 全文总结

综合以上章节，简单来讲，超光谱成像技术就是将成像技术和光谱测量技术结合在一起，然后利用具有一定分辨率的超光谱图像进行目标探测，进而根据探测器上探测到的目标光谱分布特征分辨像素所对应的目标成分。

通过学习以及简单研究发现，超光谱成像探测技术在目标材质识别、异常目标检测、伪装目标辨识、复杂背景抑制等目标探测技术领域都有着极为重要的应用，越来越受到人们的重视。该技术除了主要的机载、星载遥感平台应用需求外，在很多近距战术观测平台上都有着巨大的潜在应用需求，因此研究适合需要的小型化、实用化光谱成像仪器和相关探测方法具有重要意义，是成像光谱探测技术的一个重要研究趋势。本篇文章正是围绕这一核心内容，对超光谱成像技术进行了研究工作，主要研究内容和创造性工作如下：

1. 简要概括超光谱成像技术的基本概念、内涵、应用方向、存在的问题以及国内外发展状况，并根据目前形势作出其发展趋势概况。

28

2. 综合考虑目标红外辐射特性、大气传输透过率、色散式光谱仪辐射传递特性、选用红外探测器参数、数据链传输等环节，研究了成像光谱探测系统的辐射能量传递模型，并简要概括了成像光谱仪的光谱成像方式。

3.简单介绍国内外典型星载超光谱成像仪的基本原理及其技术指标和它们的应用场合。

4.2 未来工作

无论在国内还是国际上，目前星载超光谱成像技术都是以科学试验为目的展开的。超光谱成像技术所独具的优点，使其成为未来多光谱遥感技术重要发展方向，但就其真正运行还需要一个过程。因此，对超光谱成像技术在中国的发展提出如下建议：

1. 开展星载超光谱技术的总体方案论证工作

超光谱成像技术是21世纪多光谱遥感器的发展方向，作为未来的一个发展趋势，建议国家出面，应用部门牵头联合卫星平台、遥感器研制部门、关键技术研究部门组成一个专业组，从全方位论证超光谱成像技术发展趋势和方向，开展有针对性的技术攻关和学术研讨，进行总体方案的联合论证工作。 2. 开展星载超光谱成像技术的关键技术研究

短期国内解决大面阵的可见红外器件存在一定的困难，开展重点关键技术研究是非常必要的。就超光谱成像技术系统发展和成熟而言，不可能指望一切配套技术完全继承。除加强焦平面探测器技术研制外，还需要在光学技术和电子学数据处理方面开展大量深人研究，而这些关键技术往往成为某些现有技术的延续。

3. 开展星载超光谱成像技术应用论证工作

主要应用论证是在地面进行机载高度应用试验。总结国外应用的经验和我国的具体情况，确立有针对性超光谱成像发展计划。有步骤有重点的进行星载超光谱技术的开发，如光谱分光技术可以通过星载光谱仪技术进行验证；光学

29

技术可以通过现有遥感器的空间应用进行验证；通过改造现有遥感器进行星载超光谱成像试验等。

4. 针对现有星载型号进行超光谱成像技术的改造

目前我国在研星载多光谱遥感器中，光谱分辨率由20nm到2µm，空间分辨率由0.1mrad一1.4mrad，辐射分辨率由0.05%一1%。开展超光谱成像技术应该首先基于现有的遥感器的改造，通过增加部分超光谱通道进行技术和应用试验研究。若以支持新型号方式进行资助，一方面投资巨大，研制周期长，型号研制的大部分精力用于关键技术攻关上，显然这样的做法耗时耗力；另一方面超光谱成像技术最终业务应用前景尚不明确，目前进行专业星载型号研制的风险太大，所以，建议在现有星载型号基础上进行超光谱成像技术的改造。

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