成像譜學(xué)是在電磁波譜的紫外、可見光、近紅外和中紅外區(qū)域，獲取許多非常窄且光譜連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)的技術(shù)。成像光譜儀為每個像元提供數(shù)十至數(shù)百個窄波段光譜信息，能產(chǎn)生一條完整而連續(xù)的光譜曲線。

超光譜成像技術(shù)根據(jù)光譜分辨率(光學(xué)遙感器的性能指標(biāo)之一，是指遙感器在接收目標(biāo)輻射的光譜時，能分辨的最小波長間隔。這種間隔越窄，光譜分辨率越高)的不同，又可以分為多光譜型、超光譜型和超高光譜型三種，光譜分辨率在10，數(shù)量級范圍的稱為多光譜(MultisPectral)， 而光譜分辨率在102，時稱為高光譜 (Hyerspeetral)； 隨著光譜分辨率的進一步提高，在達到10入時，即進入超光譜(UltrasPectral)階段。

超光譜成像的特點是光譜分辨率高，波段連續(xù)性強，能獲得多光譜傳感器無法獲得的精細的光譜信息，由于光譜分辨率高達納米數(shù)量級，因此遙感器在0.4~2.5p m范圍內(nèi)可細分成幾十個，甚至幾百個波段，光譜分辨率為5~10nm。由于是超多段成像，若以波長為橫軸，灰度值為縱軸，超光譜圖像上每一個像元點在各通道的灰度值都可以形成一條精細的光譜線，這樣就構(gòu)成了獨特的超多維光譜空間。

根據(jù)分光的原理不同，可以將超光譜成像技術(shù)分為：棱鏡光柵色散型、干涉型、濾光片型、調(diào)諧型、計算層析型、二元光學(xué)元件型、三維成像型光譜技術(shù)。下面主要介紹幾種主要的成像光譜技術(shù)。

1.棱鏡、光柵色散型

色散型成像光譜技術(shù)出現(xiàn)比較早，技術(shù)比較成熟。入射狹縫位于準(zhǔn)直系統(tǒng)的前焦面上，入射輻射經(jīng)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后，經(jīng)棱鏡和光柵狹縫色散后由成像系統(tǒng)將光能按波長順序成像在探測器的不同位置上。11:45色散成像光譜儀按探測器的構(gòu)造，可分為線列與面陣兩大類，它們分別稱之為擺掃型(whiskbroom)成像光譜儀和推掃型(pushbroom)成像光譜儀，它們的原理如圖所示。

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在擺掃型成像光譜儀中，線列探測器用于探測某一瞬時視場(即目標(biāo)區(qū)所對應(yīng)的某一空間像元)內(nèi)目標(biāo)點的光譜分布。掃描鏡的作用是對目標(biāo)表面進行橫向掃描，一般空間的第二維掃描(即縱向或幀方向掃描)由運載該儀器的飛行器(衛(wèi)星或飛機)的運動所完成。在某些特殊情況下，空間第二維掃描也可用掃描鏡實現(xiàn)。一個空間像元的所有光譜分布由線列探測器同時輸出。此種成像光譜儀的代表有 AVIRIS 和中等分辨率成像光譜儀(MODIS) 等。在推掃型成像光譜儀中，面陣探測器用于同時記錄目標(biāo)上排成一行的多個相鄰像元的光譜，面陣探測器的一個方向用于記錄目標(biāo)的空間信息，另一個方向用于記錄目標(biāo)光譜信息。同樣，空間第二維掃描既可由飛行器本身實現(xiàn)，也可使用掃描反射鏡。一行空間像元的所有光譜分布由面陣探測器同時輸出。此種成像光譜儀的代表有 AIS、HRIS、HIS、MODIS-T 等。

2.?干涉型成像光譜儀

干涉型成像光譜技術(shù)在獲取目標(biāo)的空間二維信息方面與色散型技術(shù)類似，通過擺掃或推掃對目標(biāo)成像，但每個像元對應(yīng)的光譜分布不是由色散元件形成，而是利用像元輻射的干涉圖與其光譜圖之間的傅立葉變換關(guān)系，通過探測像元輻射的干涉圖和利用計算機技術(shù)對干涉圖進行傅立葉變換，來獲得每個像元的光譜分布。獲取像元光譜干涉圖的方法和技術(shù)是該類型光譜儀研究的核心問題，它決定了由其所構(gòu)成的干涉成像光譜儀的使用范圍及性能。目前，遙感用干涉成像光譜技術(shù)中，獲取像元輻射干涉圖的方法主要有三種：邁克爾遜干涉法、雙折射干涉法和三角共路 (sagnac) 干涉法?；谶@三種干涉方法，形成了三種典型的干涉成像光譜儀。

a. 邁克爾遜型干涉成像光譜儀

此類型干涉成像光譜儀使用邁克爾遜干涉方法，通過動鏡機械掃描，產(chǎn)生物面像元輻射的時間序列干涉圖，再對干涉圖進行傅立葉變換，便得到相應(yīng)物面像元輻射的光譜圖。它由前置光學(xué)系統(tǒng)、狹縫、準(zhǔn)直鏡、分束器、動鏡、靜鏡、成像鏡和探測器等部分組成，其光學(xué)原理如圖3所示。

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分束器將入射的光線分為強度均勻的兩束(反射和透射)，其中反射部分射到靜鏡，經(jīng)過靜鏡反射后再由成像物鏡成像在探測器上；透射部分入射到動鏡上，經(jīng)反射歷經(jīng)分束板的鍍銀面反射向成像鏡，進入探測器。這兩束相干光線的光程差各不相同，在探測器上就能形成干涉圖樣。通過移動動鏡進行調(diào)整，就可以進行不同的干涉測量。

邁克爾遜型干涉成像光譜儀的動鏡和靜鏡主要分為平面鏡、角反射體以及貓眼鏡三種。平面鏡的優(yōu)點是對于鏡子二維方向的橫移無嚴(yán)格要求，但對鏡子的傾斜度非常敏感，這方面的代表有美國的 IRIS(V)、IRIS(M)以及 ITS 等。而貓眼鏡和角反射體則對鏡子的傾斜無嚴(yán)格要求，但對橫移非常敏感。這方面的代表主要有美國的 ATMOS、CIRS、歐洲的 IASI 等。由于兩相干光束的最大光程差取決于動鏡的最大可移動長度，所以增加動鏡的最大可移動長度，可以獲得很大的最大光程差，而光譜分辨力與最大光程差成正比，因此邁克爾遜型干涉成像光譜儀可以實現(xiàn)相當(dāng)高精度的光譜測量。但它也有兩個明顯的缺點：(1)需要一套高精度的動鏡驅(qū)動系統(tǒng)，在運動過程中要保持動鏡運動的勻速性，并且對擾動和機械掃描精度都很敏感，這就使得光譜儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。

(2)由于物面像元的干涉圖是時間調(diào)制的，所以不能測量空間和光譜迅速發(fā)生變化的物面的光譜，只適用于空間和光譜隨時間變化較慢的目標(biāo)光譜圖像測量，導(dǎo)致應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。

b. 雙折射型干涉成像光譜儀

雙折射型干涉成像光譜儀是利用雙折射偏振干涉方法，在垂直于狹縫的方向同時產(chǎn)生物面像元輻射的整個干涉圖。它由前置光學(xué)系統(tǒng)、狹縫、準(zhǔn)直鏡、起偏器、Wollaston 棱鏡、檢偏器、再成像系統(tǒng)和探測器等部分構(gòu)成，其光學(xué)原理如圖所示。

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可以看出，前置光學(xué)系統(tǒng)將目標(biāo)成像于入射狹縫上，然后經(jīng)準(zhǔn)直鏡入射到起偏器。沿起偏器偏振方向的線偏振光入射到 Wollaston 棱鏡，該棱鏡將入射光分解為兩束強度相等的尋常光(o光，垂直丁主平面振動)和非尋常光(e光，平行于主平面振動)。這兩束振動方向垂直的線偏振光經(jīng)檢偏器后，變成與檢偏器偏振方向一致的二線偏振光，經(jīng)過再成像系統(tǒng)后，在探測器上就可以得到干涉圖。探測器上每一行對應(yīng)于入射狹縫上不同的點，這樣就可以得到沿狹縫長度方向的空間分辨率。11:46 ???雙折射型干涉成像光譜儀具有如下優(yōu)點：

(1)探測器所探測的不是像元輻射中的單個窄波段成分，而是整個光譜的傅立葉變換，又因傅立葉變換的積分過程是一種“平均”過程，故有改善信噪比的作用。并且個別探測器單元的失效不會造成相應(yīng)波段信息的丟失。

(2)狹縫的局度和寬度只確定成像的空間分辨力，而不影響光譜分辨力，所以光通量和視場可以較大。

(3)該裝置無運動部件，結(jié)構(gòu)緊湊，抗外界擾動和振動能力強。

(4)屬空間調(diào)制型，實時性好，可用于測量光譜和空間變化的目標(biāo)。

?雙折射型干涉成像光譜儀的缺點是光譜分辨能力有限，光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

c.? 三角共路型干涉成像光譜儀

三角共路(sagnac)型干涉成像光譜儀是用三角共路干涉方法，通過空間調(diào)制，產(chǎn)生物面的像和像元輻射的干涉圖。它由前置光學(xué)系統(tǒng)、狹縫、分束器、反射鏡、傅立葉透鏡、柱面鏡和探測器構(gòu)成，其光學(xué)原理如圖所示。

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可以看出，前置光學(xué)系統(tǒng)將被測光線聚焦于狹縫，狹縫出射的光經(jīng)分束器分為反射光和透射光，再經(jīng)過靜鏡和動鏡兩個反射面及分束鏡反射或透射后入射到傅里葉透鏡上。當(dāng)動鏡與靜鏡相對于分束器完全對稱時，沒有光程差，就沒有干涉效應(yīng)。當(dāng)動鏡移動，與靜鏡不對稱時，由于存在光程差，經(jīng)傅里葉透鏡后就形成干涉。由于光路設(shè)置，使入射光闌置于傅里葉透鏡的前焦面處，則當(dāng)動鏡與靜鏡非對稱時，兩束光相對于光軸向兩邊分開，形成相對于傅里葉透鏡的兩個虛物點。由虛物點發(fā)出的光束經(jīng)傅里葉透鏡后，變成平行光，在探測器處合束產(chǎn)生干涉。

三角共路型干涉成像光譜儀有如下優(yōu)點：

(1)狹縫的長度和寬度只確定成像的空間分辨力，而不影響光譜分辨力光通量和視場可以較大。

(2)兩束光沿相同路徑反向傳播，外界擾動和震動的影響自動補償。

(3)實時性好，可測量光譜和空間變化的目標(biāo)。

三角共路型干涉成像光譜儀的缺點是光譜分辨能力有限，介于邁克爾遜型干涉成像光譜儀和雙折射型千涉成像光譜儀之間。

上述三種類型的干涉成像光譜儀結(jié)構(gòu)不同，性能各有所長。但歸根結(jié)底，都是對兩束光的光程差進行時間或空間調(diào)制，在探測面處得到光譜信息。

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3. 濾光片型成像光譜儀

濾光片型成像光譜儀采用相機加濾光片的方案，原理簡單，并且有很多種類，如可調(diào)諧濾光片型、光楔濾光片型等?？烧{(diào)諧濾光片的種類較多，包括聲光可調(diào)諧濾光片(AOTF)、電光可調(diào)諧濾光片、雙折射可調(diào)諧濾光片、液晶可調(diào)諧濾光片、法布里一珀羅(Fabry-Perot)可調(diào)諧濾光片等，應(yīng)用在成像光譜儀上的主要有聲光和液晶可調(diào)諧濾光片。

液晶調(diào)諧的調(diào)制速度較慢，波長切換時間較長，而聲光調(diào)諧的調(diào)制速度較快，采用具有良好的光學(xué)性能、較高的聲光品質(zhì)因數(shù)和較低聲光衰減的光學(xué)材料所制作的器件可以獲得較好的效果。聲光可調(diào)諧濾光片(AOTF)利用聲光衍射原理，它的電子驅(qū)動頻率與衍射波長之間具有一定關(guān)系，稱為調(diào)諧關(guān)系，通過電子調(diào)節(jié)聲波的頻率就可以完成一定光譜范圍內(nèi)的光譜掃描，圖6所示為非共線聲光可調(diào)諧濾光器的結(jié)構(gòu)。

光楔成像光譜儀包括一個安裝在靠近面陣探測器的楔形多層膜介質(zhì)干涉濾光片，探測器的每一行探測像元接收與濾光片透過波長對應(yīng)的光譜帶的能量。隨著光楔濾光片工藝水平的提高，光楔成像光譜儀已開始走向?qū)嵱没绹菟癸w機公司圣巴巴拉研究中心研制的光譜儀WiS-1和 WIS-2 采用的分光元件就是光楔濾光片， NASA 的 EO-1衛(wèi)星上也將搭載一臺光楔成像光譜儀。

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圖中所示為采用光楔濾光片的成像光譜儀的基本結(jié)構(gòu)，可以看出當(dāng)面陣探測器的各行與各光譜帶對應(yīng)時，探測器的各列每次在不同的空間位置上采樣，所以該探測器陣列有一個空間光譜輪廓。這種幾何關(guān)系可以在推掃型遙感器設(shè)計或擺掃型遙感器設(shè)計中使用，不論在哪一種掃描方法中，每一個地面像元的光譜都是由不同時刻不同探測器像元的輸出信號組合得到的。11:47 ???除了以上幾種主要的成像光譜技術(shù)之外，其他原理不同的技術(shù)也在不斷發(fā)展，典型的包括：計算機層析成像光譜技術(shù)、二元光學(xué)成像光譜技術(shù)和三維成像光譜技術(shù)，這些技術(shù)有已逐漸開始走向?qū)嶋H應(yīng)用，有的還在研究階段。