多光譜成像儀

多光譜成像儀是一種獲取光譜特徵和圖像信息的基本設備，是光電遙感技術中的核心。多光譜成像儀多數屬於被動工作，按其工作方式的不同可以分為光學成像和掃描成像兩大類。

基本介紹

• 中文名：多光譜成像儀
• 外文名：Multispectral Imager
• 分類：光學成像、掃描成像
• 用途：獲得不同光譜波段的圖像

簡要概述

遙感探測設備分為主動探測和被動探測兩類。多光譜成像儀多數屬於被動工作，按其工作方式的不同可以分為光學成像和掃描成像兩大類。光學成像又有分幅式多光譜相機、全景相機、狹縫式相機等。掃描成像有光機式掃瞄器、成像光譜儀、成像偏振儀等。此外，還有不成像但也屬光電遙感套用的光譜儀等。

不同類別的設備雖然工作方式、組成、結構不同，但其基本組成通常包括以下幾個部分：

1、 光學會聚單元。它由透鏡、反射鏡或掃描鏡等部件組成。它採集來自地面目標和背景的輻射或反射電磁波。

2、 分光單元。它把前一單元採集的混合光分解為若干較窄波段，從而實現多光譜探測。

3、 探測與信號預處理單元。它常用做探測器材的有相機中的膠片、線列或面陣CCD、紅外焦平面陣列等光電探測器件。它實現光電轉換，由敏感元分別將分光後聚焦的場景各點相應波段的電磁波強弱轉換為對應大小的電信號。信號預處理器對電信號進行放大、修正及其他處理後，轉換成圖像信號或其他形式的信號。

4、 信息記錄或傳輸單元。它將經初步處理後的圖像信息用適當的介質記錄下來。常用記錄介質有膠片、磁帶、磁碟、光碟等。為了儘快得到遙感信息，對各種數字式的信號可通過傳輸單元將其從空中傳輸到地面進行記錄或實時圖像顯示。

成像分光技術

顧名思義，多光譜成像技術就是把入射的全波段或寬波段的光信號分成若干個窄波段的光束，然後把它們分別成像在相應的探測器上，從而獲得不同光譜波段的圖像。實際使用時，要更有效地提取目標特徵並進行識別，探測系統需要有精細的光譜分辨能力，就要求把光譜分得更窄並用對個波段，而完成這一任務的就是成像分光技術。

濾光片

這是一種能從連續光譜中濾出所需波段的單層或多層介質膜片。濾光片通過不同的光學現象，如選擇性吸收或反射、干涉、偏振、散射等起作用。濾光片有截止型和帶通型兩大類。

按具體的使用要求可製成不同功能的濾光片，如將可見光和紅外光分開的分色光，只允許中心波長附近很窄的波段通過的窄帶濾光片等。濾光片應滿足以下基本要求：①濾光片的透射光譜曲線符合設計要求，並在探測器的光敏波段內。②對需要通過的光，能量損失儘量少；對不需通過的光，最好全部被反射或吸收。③熱穩定性、防潮性、機械強度等物理化學性能良好。

窄帶濾光片光譜分辨本領用λ/λ的比值表示，λ是透射率為峰值波長透射率50%處的波段寬度。濾光片主要性能指標有透過光譜頻寬、光譜帶中心波長λ₀、峰值透射率、截止波長等。

以上所述為分立式濾光片，適用於一個窄波段投射到單個探測器的情況。隨著多光譜成像技術的發展，分立濾光片不能滿足系統的要求。由於集成探測器陣列技術的引入而發展起來的成像光譜儀幾乎實現了在光譜和空間區域都能連續取樣，於是發展出“線性漸變濾光片”。它是一種多層窄帶通干涉濾光片，其鍍層具有楔子形狀。線性漸變濾光片的中心波長隨鍍層的位置而變，因此使得透射波長隨濾光片襯底上的位置不同而發生變化。這種濾光片可用來設計和研製紅外成像光譜儀。除此之外，還有聲光調諧濾光片和電調諧雙折射濾光片，但都難以達到很高的光譜分辨力。

光柵分光

光柵是在一個平面上刻上一組平行的周期性的線條或溝槽（常刻成斜面）的光學元件。當一束複式光入射到光柵平面這種周期性結構時會發生衍射，透射或反射的衍射光產生干涉，光的能量重新分布，不同波長的光行進方向不同，在一定的位置上形成特定波長的疊加極值，從而實現分光。光柵分光的優點是分光波長分布的線性度很好，和線列探測器的光敏元配準好。此外分光的級數多，光譜分辨能力高，可小於單位波數（1）,可獲得精細的光譜數據，是目前高光譜分辨力成像光譜儀使用最普遍的分光元件。採用光柵分光可簡化分光系統的結構，使儀器更加輕便。衍射極限限制了光柵光譜分辨力的進一步提高。早期人們曾用稜鏡色散的方法來分光，雖然簡單，但分光後波長分布的線性不好，探測器的尺寸製作和工作波段的配準都很麻煩，已逐漸被光柵分光所取代。

麥可遜雙光束干涉分光

麥可遜雙光束干涉分光是精細分光中最重要的技術。圖1-1是麥可遜雙光干涉分光的基本工作原理。從光源發出的光經準直後成為平行光，入射到半透半反射的分光片後被分成兩束。一束到達位置固定的平面反射鏡，另一束到達位置可微動的反射鏡，通過鏡面微動改變其光程。兩束光被反射回來後相遇，由於有光程差而產生干涉，在干涉條紋處放置光電探測器接收。如果不斷移動微動反射鏡，則會連續改變光程差，記錄中央干涉條紋光強變化，得到干涉圖。通過對干涉圖做傅立葉餘弦變換運算，可將其轉換成任何波數的光譜圖樣。這種分光方法，固有的光譜分辨本領高（光譜分辨力可達0.01），且與波長無關，是光柵分光所不及的。

圖1-1 麥可遜雙光干涉分光的工作原理

其中，1為光源；2為透鏡；3為固定反射鏡；4為分色片；5為微動反射鏡；6為透鏡；7為探測器。

常用的多光譜成像儀

光學相機

光學相機是人們最熟悉、套用最早和歷史最長的一種遙感設備，今天仍是最常見的一種遙感儀器。它的工作波段在近紫光、可見光到近紅外(0.32um~1.3um)之間，主要受限於光學會聚單元的透鏡組和感光膠片的光譜向應力。在透鏡組前面的帶通濾光片選擇能通過透鏡組令膠片曝光的波段。

紅外掃瞄器

紅外掃瞄器早期是一種單波段工作的光機掃描型的成像遙感設備。20世紀50年代末美國某公司研製成單元紅外器件的掃瞄器，安裝在U-2飛機上用於軍事情報偵察。70年代開始，將紅外波段分解成若干個窄波段，發展成更為先進的多光譜掃瞄器。隨著長線列和面陣的CCD固體成像器件和紅外焦平面陣列探測器的出現，又發展出省去複雜光機掃描機構的推帚式掃描成像儀、成像光譜儀等。

紅外掃瞄器由光學會聚系統、光學機械掃描器、紅外探測器、信號處理器、信息記錄設備等幾部分組成，要完成一幅平面圖像需進行相互垂直的兩個方向的掃描。紅外掃瞄器採用對物平面掃描的方式成像，通常利用掃瞄器內部設定的光學機械掃描器，在垂直於平台飛行方向對地物作不間斷的橫向掃描，另一維掃描是依靠運載平台，如衛星或飛機的向前運動來完成。