光谱成像技术的分类

光谱成像技术的分类

光谱成像技术，有时又称成像光谱技术，融合了光谱技术和成像技术，交叉涵盖了光谱学、光学、计算机技术、电子技术和精密机械等多种学科，能够同时获得目标的两维空间信息和一维光谱信息。

光谱成像技术发展到今天，出现的光谱成像仪的种类和数量己经具有较大规模，因而可以从光谱分辨率、信息获取方式（扫描方式）、分光原理和重构理论等不同的视角对光谱成像技术进行分类。

1基于光谱分辨率分类

光谱成像技术针对光谱分辨能力的不同，可分为多光谱(Multi-spectral)，高光谱(Hyper- spectral)以及超光谱(Ultra-spectral)。多光谱的谱段数一般只有几十个，高光谱的谱段数可达到几百个，而超光谱一般指谱段数上千个。它们的区别如表1所示。

表1多、高、超光谱的比较

分类分辨

率

通道数光谱典型例子

多光谱（Multi-spectral）10-1λ

量级

5—30ETM+

ASTER

高光谱（Hyper-spectral）10-2λ

量级

100—

200

AVIRIS

超光谱（Ultra-spectral）10-3λ

量级

1000—

10000

GIFTS

2 基于信息获取方式分类

光谱成像仪需要对三维“数据立方”进行探测，而现今的探测器最多能进行二维探测。要想获得完整的三维数据，理论上至少需增加一维的空间扫描或光谱扫描。光谱成像技术获取图谱信息的主要方式有：挥扫式(Whiskbroom )、推扫式(Pushbroom)、凝视式(Staring)以及快照式(Snapshot)。

挥扫式成像光谱仪的光谱成像系统只对空间中某点进行光谱探测，通过沿轨和穿轨两个方向扫描获取完整的二维空间信息，其信息获取方式如图1a所示。AVIRIS就是通过挥扫成像[1]。

推扫式光谱成像系统探测空间中一维线视场(图1b中的X方向)的光谱，通过沿轨方向(Y方向)扫描实现二维空间信息的获取，芬兰国立技术研究中心实验室研制的AISA就是典型的推扫式成像光谱仪[2]。

凝视式光谱成像系统可对固定窗口目标成像，采用滤光的方式分离并获取不同波段的图像信息，再将不同波段的图像堆叠成“数据立方”。如图1c中所示，该类成像光谱仪实际上是采用光谱维扫描的方式实现图谱“数据立方”的获取。

图1 典型的光谱成像过程：a挥扫式；b推扫式；c凝视式；d快照式

快照式是一种新兴的图谱信息获取方式，它不需扫描便可获取三维图谱信息。快照式光谱成像技术实现方式主要有三种：一种是视场分割三维成像的方式，利用玻璃堆进视场分割，再利用分光器件将三维信息展开到二维平面进行面探测

[3]，如图1d所示；第二种是计算层析的方式[4]，利用正交光栅等分光器件将三维信息层析投影到二维平面，再利用算法重构三维图谱；第三种是孔径编码计算光谱成像的方式[5]，通过孔径编码的形式引入计算维，再进行分光得到编码的混合图谱信息，最后通过计算解码重构三维信息的孔径编码计算成像技术，其三维信息获取方式如图2所示。

图2 孔径编码计算光谱成像技术的信息获取方式

3 基于分光原理分类

进入光谱成像系统的图像信号均为复色光，要想探测每个像素的光谱信息需对复色信号分光。按照分光原理来划分，成像光谱技术可分为三类：色散型(dispersive )，滤光片型(filtering)和干涉型(interferometric)。

色散型分光技术主要包括棱镜分光和光栅分光两种。棱镜分光是利用材料对不同波长的光折射率不同将复色光在主截面内散开；光栅分光则是利用衍射的原理将复色光在主截面内散开。

滤光片型成像光谱仪技术采用滤光片作为分光器件，其种类形式多样，如滤光片轮、滤光片阵列、线性渐变滤光片、光楔滤光片等；另外还有两种经典的调谐型滤光器，声光可调谐滤光片(AOTF)和液晶可调谐滤光片(LCTF)。经滤光片滤光，探测器获得的每帧图像为准单色图，通过变换滤光片或调谐滤光获取完整的“数据立方”。

干涉型成像光谱技术也称作傅里叶变换光谱成像技术，通过探测目标的干涉图并利用傅里叶变换计算获得光谱信息[6]。干涉型成像光谱技术按照探测模式可分为三类：一是时间调制型，其主要的结构原型是Michelson干涉仪（如图3a），利用动镜扫描干涉实现光谱信息的相干探测。二是空间调制型，其典型的结构是

以Sagnac干涉仪（三角共光路）系统（如图3b），利用空域的干涉图获得光谱信息，此类干涉型光谱仪有狭缝，不需要动镜扫描。三是时空混合调制型，其典型的结构有三角共路系统和双折射晶体偏振干涉系统（如图3c），这类系统既无狭缝又无动镜，通过推扫实现全部空间的干涉图样获取。干涉型成像光谱技术按有无运动装置可分为静态型和动态型，其中时间调制型为动态，空间调制型和时空混合调制型为静态。

图3 三种典型的干涉成像光谱仪工作原理图：a时间调制型；b空间调制型；

c时空混合调制型

参考文献

[1]Green R O, Eastwood M L, Sarture C M, et al. Imaging spectroscopy and the airborne visible/infrared imaging spectrometer (AVIRIS)[J]. Remote Sensing of Environment, 1998, 65(3): 227-248.

[2]Okkonen J, Aikio M. Airborne imaging spectrometer for applications (AISA)[C]IGARSS'93. Better Understanding of Earth Environment., International. IEEE, 1993: 479-481.

[3]Gao L, Kester R T, Tkaczyk T S. Compact Image Slicing Spectrometer (ISS) for hyperspectral fluorescence microscopy[J]. Optics express, 2009, 17(15): .