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成像光谱仪的原理是什么?应用有哪些?

成像光谱仪是20世纪80年代开始在多光谱遥感成像技术的基础上发展起来的,它以高光谱分辨率获取景物或目标的高光谱图像,在航空、航天器上进行陆地、大气、海洋等观测中有广泛的应用,高光谱成像仪可以应用在地物精确分类、地物识别、地物特征信息的提取。建立目标的高光谱遥感信息处理和定量化分析模型后,可提高高光谱数据处理的自动化和智能化水平。由于成像光谱仪高光谱分辨率的巨大优势,在空间对地观测的同时获取众多连续波段的地物光谱图像,达到从空间直接识别地球表面物质的目的,成为遥感领域的一大热点,正在成为当代空间对地观测的主要技术手段。地面上采用光谱成像仪也取得了很大的成果,如科学研究、工农林业环境保护等方面。

本文主要简述高光谱成像仪的基本原理和在农林环境保护等方面的应用。

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1 系统工作原理与结构

高光谱成像仪将成像技术和光谱技术结合在一起,在探测物体空间特征的同时并对每个空间像元色散形成几十个到上百个波段带宽为10nm左右的连续光谱覆盖。

1.1 系统工作原理

地面物体的反射光通过物镜成像在狭缝平面,狭缝作为光栏使穿轨方向地面物体条带的像通过,挡掉其他部分光。地面目标物的辐射能通过指向镜,由物收镜收集并通过狭缝增强准直照射到色散元件上,经色散元件在垂直条带方向按光谱色散,用会聚镜会聚成像在传感器使用的二维CCD面阵列探测元件被分布在光谱仪的焦平面上。焦平面的水平方向平行于狭缝,称空间维,每一行水平光敏元上是地物条带一个光谱波段的像;焦平面的垂直方向是色散方向,称光谱维,每一列光敏元上是地物条带一个空间采样视场(像元)光谱色散的像。这样,面阵探测器每帧图像数据就是一个穿轨方向地物条带的光谱数据,加上航天器的运动,以一定速率连续记录光谱图像,就得到地面二维图像及图形中各像元的光谱数据,即图像立方体。

1.2 光谱成像仪数据获取系统构成

光谱成像仪由光学系统、信号前端处理盒、数据采集记录系统三部分组成。

数据的回放及预处理通过专用软件在高性能的微机上完成。软件具有如下功能:数据备份;快速回放;数据规整和格式转换;图像分割截取;标准格式的图像数据生成等。

2 成像光谱仪的应用

成像光谱仪的应用范围遍及化学、物理学、生物学、医学等多个领域,对于纯定性到高度定量的化学分析和测定分子结构都有很大应用价值。如在生物化学研究中,可以利用喇曼光谱鉴别一些物质的种类,还可以测定分子的振动转动频率,定量地了解分子间作用力和分子内作用力的情况,并推断分子的对称性,几何形状、分子中原子的排列,计算热力学函数、研究振动一转动拉曼光谱和转动拉曼光谱,可以获得有关分子常数的数据。对非极性分子,因为它们没有吸收或发射的转动和振动光谱,振动转动能量和对称性等许多信息反映在散射谱中。对于极性分子,通过红外光谱固然可以获得不少分子参数的知识,但是为了得到更完备的资料,也往往同时观测红外光谱和拉曼光谱,它们具有不同的选择定则,可以提供互补的数据。现在这两种光谱相互配合已经成为有力的研究工具。

光谱成像仪在土地利用、农作物生长、分类,病虫害检测,海洋水色测量,城市规划、石油勘探、地芯地貌及军事目标识别等方面也有很广泛和深远的应用前景。可见光近红外光谱范围超光谱成像仪最广阔的应用领域为植被和海洋;植被的反射光谱特征主要取决于叶片中的叶绿素含量和成份,正常生长的植物有典型的光谱形状;当生长不良、病虫害、地下金属矿物诱导病变等因素会引起反射强度比例变化和吸收光谱特征(0.68μm)的微小位移,这种位移的观测要求超光谱成像仪具有优于5nm的光谱分辨率和100以上的信噪比。在光波范围能够观测水下状况的只有可见光,其中穿透性最好的波长范围为0.45~0.60μm(蓝光至黄光),亦被称为“海洋窗口”。可见光超光谱成像仪可以观测海洋中沉积性悬浮物、浮游生物、叶绿素的分布等海况,但是获取海洋表层中悬浮体物质在质量和数量方面的信息时,不仅需要高光谱分辨率,而且要很高的辐射灵敏度(信噪比500以上)。

除了以上实际应用外,目前高光谱成像仪在自然科学的大部分领域起着主要的作用。随着面阵探测器阵列制造技术的进一步提高,一些新型的成像光谱技术得到了应用,具有这些技术的光谱仪更具有可靠性和稳定性的特点,并且体积小、重量轻、光谱分辨率高、实时性更好、光谱范围更宽。这种光谱成像仪将会成为新一代光谱成像仪的代表,科学研究人员也会对此类光谱仪投入更多的关注而使其得到更广泛的应用。


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