多光譜成像儀

多光譜成像儀是一種能夠同時獲取光譜特徵和空間圖像信息的基本設備，是光電成像系統發展的重要方向。多光譜成像系統可提供具有3至20個非連續波段的圖像，並已在農業和食品領域得到廣泛套用。從成像原理上講，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採用多個波段，而完成這一任務的就是成像分光技術。

基本介紹

• 中文名：多光譜成像儀 
• 外文名：Multispectral Imager 
• 實質：一種獲取光譜特徵和圖像信息的基本設備 
• 基本組成：光學會聚單元、分光單元等 
• 性能參數：輻射分辨力、光譜分辨力等 
• 常見類型：光學相機、紅外掃瞄器等 

簡要概述

常用的紅外波段都比較寬，要更有效地提取目標特徵並進行識別，最好是把光譜分得更窄些並運用多個光譜波段。熱像儀從單波段向雙波段和多波段發展，在景物輻射進入探測器之前，由分光裝置按光譜波段將其分開，分別進入不同的探測器。探測器分別輸出相應波段景物圖像數據，同時獲得了同一景物在特定時刻各波段的圖像數據。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。

20世紀80年代中期以後，在紅外行掃儀和多光譜掃瞄器的基礎上又研製出一種具有掃描成像和精細分光兩種功能的新型多光譜/超光譜成像儀，可以在多個光譜波段獲取景物圖像。

“多光譜成像”、“超光譜成像”或“極光譜成像”是對不同光譜分辨力儀器的分類稱謂。“多光譜成像”指光譜分辨力λ/λ為0.1，波段數為10~50個。除極光譜成像技術尚未用於軍事遙感外，多光譜或超光譜成像系統已裝備偵察衛星和偵察飛機。

基本組成

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。通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。

成像技術

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。

窄帶濾光片光譜解析度用 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（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）。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，固有的光譜解析度高（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

性能參數

反映多光譜成像儀特性的基本性能參數有以下幾個。

1）輻射分辨力

輻射分辨力是指感測器在接收入射輻射時能分辨的最小輻射度差。輻射分辨力取決於探測器的靈敏度、系統的信噪比和光學系統的效率等。輻射分辨力越高，圖像的對比度越高，對目標的實際分辨能力就越好，尤其是處於陰影或強光下輻射反差小的部位的細部，更是如此。

2）光譜分辨力

光譜分辨力是指感測器的探測單元在接收地面目標輻射光譜時能分辨的最小波長間隔。波長間隔越小光譜分辨力越高。設備的光譜分辨力依賴於系統分光器和探測元件，現代高性能的成像光譜儀的光譜分辨力做得非常高。

3）空間分辨力

空間分辨力是指在遙感圖像上能記錄並能區分出來的相鄰兩個點目標間的最小距離，表征對地面目標細節的分辨能力。

4）時間分辨力

時間分辨力是指對同一目標相鄰兩次觀察的時間間隔,通常指衛星遙感的情況。時間間隔短便於獲得地面景物的動態信息。對不同類型的衛星，時間間隔是不同的,例如,美國陸地觀察衛星為16天，太陽同步衛星為0.5天。對軍用偵察,為了及時掌握戰場態勢的變化，觀察時間間隔應儘量短。

5）視場

視場是指感測器能形成有用圖像的光束在入瞳處的最大張角。在視場範圍內獲取的信息都是有效的。對一個感測器來說，一般希望有較大的視場。

光譜成像

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。