一、 简介
超光谱成像技术是一种集光学、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，属于当前可见红外遥感器的前沿科学。不同于传统的单一波段成像技术，超光谱成像是将成像技术和光谱测量技术相结合，获取的信息不仅包括目标景物的二维空间信息，还包含随波长分布的光谱辐射信息, 形成所谓的“数据立方”，如图1 所示。
图1 超光谱成像的数据立方
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。
于是，把光谱分辨率和空间分辨率结合起来，便具有更高的探测和识别物质的能力。因此，超光谱成像技术的产生及其飞速发展是显而易见的。丰富的目标光谱信息结合目标空间影像极大提高了目标探测的准确性，扩展了传统探测技术的功能，目前这一技术已广泛应用于陆地海洋地理遥感, 大气、土壤和水体的污染物遥感监测, 医疗光谱成像诊断, 军事目标侦查探测、监视等多个军事和民用领域。
二、 发展现状和趋势
超光谱成像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。自从 1983 年美国喷气推进实验室(JPL)研制第一台成像光谱仪(AIS-I)以来，成像光谱的研究日趋活跃。从第一代 AIS 的32个连续波段，到第二代高光谱成像仪航空可见光/近红外成像光谱仪(AVIRIS)的 224个波段，光谱分辨率在不断提高，AVIRIS 是首次测量全反射波长范围(0.4～2.5μm)的成像光谱仪。此外，工作在中波红外(3～5μm)、长波红外(8～14μm)波段的成像光谱仪也获得了重要发展，典型的有美国喷气推进实验室(JPL)聚砜的 ASTER 星载遥感器及美国军方“联合多光谱计划(JMSP)”研制的 SEBASS 机载红外成像光谱仪。目前，已有许多国家相继研制出各具特的成像光谱仪，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。
这些成像光谱仪在探测地表空间特征的同时，可以在几十乃至上百个波段获取地物的可见光安徽中医学院图书馆/近红外/热红外光谱特征，大大提高了地物的分类和识别能力，在农业、林业、气象、海洋、地质、全球环境及军事遥感等诸多领域显示出巨大的应用前景。
任何先进技术总是优先应用于军事领域，世界上军事技术发达国家对此倾注了大量资金和
人力，使该技术达到了相当的高度和一定的应用水平，美国的 HYDICE、AVIRIS和 SEBASS 等成像光谱仪多次参与军方的试验，提供了大量的军事应用的第一手资料。迄今为止，见诸文献的多光谱、超光谱成像技术在军事方面的应用包括：地面复杂背景中的军事目标探测；飞机、导弹告警和制导；地雷探测；战场生化战剂和弹药库探测；弹药毁伤效果评估；导弹防御系统应用等方面。
超光谱成像技术的发展趋势主要为以下四个方面：
(1) 各种目标/背景光谱特性的研究将越来越深入，建立大量标准光谱特征数据库。
(2) 各种新材料、新技术的应用导致新的成像光谱仪器体积更小、性能更高。
(3) 大规模传感器阵列、读出电路、存储介质和信息处理技术的发展，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。
(4) 光谱、图像数据的处理算法将更高效、快捷,进一步满足实时处理的需要。
三、 原理
成像谱学是在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和中红外区域，获取许多非常窄且光谱连续的图像数据的技术。成像光谱仪为每个像元提供数十至数百个窄波段光谱信息，能产生一条完整而连续的光谱曲线。
超光谱成像技术根据光谱分辨率（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，又可以分为多光谱型、超光谱型和超高光谱型三种，光谱分辨率在10-1，数量级范围的称为多光谱(MultisPectral)，而光谱分辨率在10-2，时称为高光谱 (Hyerspeetral)；随着光谱分辨率的进一步提高，在达到10-3时，即进入超光谱(UltrasPectral)阶段。
超光谱成像的特点是光谱分辨率高，波段连续性强，能获得多光谱传感器无法获得的精细的光谱信息，由于光谱分辨率高达纳米数量级，因此遥感器在0.4~2.5 m范围内可细分成几十个，甚至几百个波段，光谱分辨率为5~10nm。由于是超多段成像，若以波长为横轴，灰度值为纵轴，超光谱图像上每一个像元点在各通道的灰度值都可以形成一条精细的光谱线，这样就构成了独特的超多维光谱空间。
根据分光的原理不同，可以将超光谱成像技术分为：棱镜光栅散型、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。下面主要介绍几种主要的成像光谱技术。
1. 棱镜、光栅散型
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。
散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杭州pm2.5所示。
图2摆扫型、推扫型成像光谱仪原理框图
如何选购家庭影院 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。扫描镜的作用是对目标表面进行横向扫描，一般空间的第二维扫描(即纵向或帧方向扫描)由运载该仪器的飞行器(卫星或飞机)的运动所完成。在某些特殊情况下，空间第二维扫描也可用扫描镜实现。一个空间像元的所有光谱分布由线列探测器同时输出。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。同样，空间第二维扫描既可由飞行器本身实现，也可使用扫描反射镜。一行空间像元的所有光谱分布由面阵探测器同时输出。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，来获得每个像元的光谱分布。获取像元光谱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：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
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3 所示。
图3 迈克尔逊型成像光谱仪原理框图
分束器将入射的光线分为强度均匀的两束(反射和透射)，其中反射部分射到静镜，经过静镜反射后再由成像物镜成像在探测器上；透射部分入射到动镜上，经反射历经分束板的镀银面反射向成像镜，进入探测器。这两束相干光线的光程差各不相同，在探测器上就能形成干涉图样。通过移动动镜进行调整，就可以进行不同的干涉测量。
迈克尔逊型干涉成像光谱仪的动镜和静镜主要分为平面镜、角反射体以及猫眼镜三种。平面镜的优点是对于镜子二维方向的横移无严格要求，但对镜子的倾斜度非常敏感，这方
面的代表有美国的 IRIS(V)、IRIS(M)以及 ITS 等。而猫眼镜和角反射体则对镜子的倾斜无严格要求，但对横移非常敏感。这方面的代表主要有美国的 ATMOS、CIRS、欧洲的 IASI 等。
由于两相干光束的最大光程差取决于动镜的最大可移动长度，所以增加动镜的最大可移动长度，可以获得很大的最大光程差，而光谱分辨力与最大光程差成正比，因此迈克尔逊型干涉成像光谱仪可以实现相当高精度的光谱测量。但它也有两个明显的缺点：
（1）需要一套高精度的动镜驱动系统，在运动过程中要保持动镜运动的匀速性，并且对扰动和机械扫描精度都很敏感，这就使得光谱仪结构复杂、成本高。
（2）由于物面像元的干涉图是时间调制的，所以不能测量空间和光谱迅速发生变化的物面的光谱，只适用于空间和光谱随时间变化较慢的目标光谱图像测量，导致应用领域受到限制。
（II）双折射型干涉成像光谱仪
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、再成像系统和探测器等部分构成，其光学原理如图4所示。国模王真
可以看出，前置光学系统将目标成像于入射狭缝上，然后经准直镜入射到起偏器。沿起偏器偏振方向的线偏振光入射到 Wollaston 棱镜，该棱镜将入射光分解为两束强度相等的寻常光（o 光，垂直丁主平面振动）和非寻常光（e光，平行于主平面振动）。这两束振动方向垂直的线偏振光经检偏器后，变成与检偏器偏振方向一致的二线偏振光，经过再成像系统后，在探测器上就可以得到干涉图。探测器上每一行对应于入射狭缝上不同的点，这样就可以得到沿狭缝长度方向的空间分辨率。
图4 双折射型干涉成像光谱仪原理图
双折射型干涉成像光谱仪具有如下优点：
（1）探测器所探测的不是像元辐射中的单个窄波段成分，而是整个光谱的傅立叶变换，又因傅立叶变换的积分过程是一种“平均”过程，故有改善信噪比的作用。并且个别探测器单元的失效不会造成相应波段信息的丢失。
（2）狭缝的局度和宽度只确定成像的空间分辨力，而不影响光谱分辨力，所以光通量和视场可以较大。
（3）该装置无运动部件，结构紧凑，抗外界扰动和振动能力强。
（4）属空间调制型，实时性好，可用于测量光谱和空间变化的目标。
双折射型干涉成像光谱仪的缺点是光谱分辨能力有限，光学系统结构复杂。
（III）三角共路型干涉成像光谱仪
企业国有资产交易监督管理办法三角共路(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5所示。可以看出，前置光学系统将被测光线聚焦于狭
缝，狭缝出射的光经分束器分为反射光和透射光，再经过静镜和动镜两个反射面及分束镜反射或透射后入射到傅里叶透镜上。当动镜与静镜相对于分束器完全对称时，没有光程差，就没有干涉效应。当动镜移动，与静镜不对称时，由于存在光程差，经傅里叶透镜后就形成干涉。由于光路设置，使入射光阑置于傅里叶透镜的前焦面处，则当动镜与静镜非对称时，两束光相对于光轴向两边分开，形成相对于傅里叶透镜的两个虚物点。由虚物点发出的光束经傅里叶透镜后，变成平行光，在探测器处合束产生干涉。
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