光譜成像技術(shù)是一種全新的遙感成像技術(shù)，近四十年來(lái)才開始發(fā)展。它的特點(diǎn)包括具有超多波段、高分辨率、波段窄、光譜范圍廣和圖譜合一等。由于這些特點(diǎn)，它在地質(zhì)學(xué)、植被科學(xué)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文簡(jiǎn)要介紹了光柵光譜儀的成像原理。

光譜成像技術(shù)的概述：

高光譜成像儀是一種先進(jìn)的光學(xué)儀器，用于獲取物體的高光譜信息。它能同時(shí)捕捉到不同波長(zhǎng)范圍的光譜數(shù)據(jù)，從而幫助科學(xué)家們深入研究物體的化學(xué)組成和光譜特性。高光譜成像儀在農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、地質(zhì)勘探和醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。它的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于可以提供豐富的光譜信息，從而更準(zhǔn)確地判斷物體的特征和狀態(tài)。高光譜成像儀在研究和應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用，為人們帶來(lái)了更多的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

光譜成像技術(shù)是一種在視覺(jué)上呈現(xiàn)物體不同波長(zhǎng)的光的方法。它通過(guò)分析光的顏色和強(qiáng)度來(lái)獲取物體的特征與信息。這種技術(shù)在許多領(lǐng)域中都有應(yīng)用，例如遙感、醫(yī)學(xué)影像和材料科學(xué)等。光譜成像技術(shù)能夠捕捉到不同物質(zhì)對(duì)不同光波長(zhǎng)的吸收、反射和發(fā)射特性，從而提供有關(guān)物體性質(zhì)和組成的重要數(shù)據(jù)。該技術(shù)具有高分辨率、非接觸性和快速成像等優(yōu)勢(shì)，可以幫助研究人員深入了解物體的結(jié)構(gòu)、成分和功能。

光譜成像是一項(xiàng)結(jié)合了設(shè)計(jì)、制造、評(píng)估和儀器應(yīng)用的藝術(shù)與科學(xué)。使用該技術(shù)可以同時(shí)捕捉具有高空間分辨率和光譜特性的場(chǎng)景，用于物體的檢測(cè)、分類、識(shí)別和表征。目前，采用光學(xué)技術(shù)開發(fā)的高光譜圖像傳感器主要包括：色散棱鏡或光柵分光光譜儀、邁克爾遜傅里葉變換光譜儀、空間傅立葉變換光譜儀、掃描Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具、聲光可調(diào)濾光片和介質(zhì)濾波器。在機(jī)載或天基平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)光譜成像時(shí)，最常用的是色散成像光譜儀，它可以將光譜信息沿著二維探測(cè)器陣列的一個(gè)方向進(jìn)行映射。在任何時(shí)刻，光譜儀都會(huì)同時(shí)收集多個(gè)波長(zhǎng)的光，用于構(gòu)成場(chǎng)景的單個(gè)空間切片的一個(gè)幀，然后通過(guò)掃描和收集多個(gè)幀來(lái)擴(kuò)展另一個(gè)空間維度。棱鏡式色散光譜儀常用于反射和發(fā)射光譜區(qū)域的空中操作，下圖所示。

高光譜成像系統(tǒng)的示意圖

光柵光譜儀的成像原理：

光柵光譜儀的成像原理是通過(guò)光柵的作用來(lái)分散光線，并將不同波長(zhǎng)的光線分開。當(dāng)進(jìn)入光柵光譜儀的光線通過(guò)光柵時(shí)，光柵會(huì)將光線分成很多條，并使它們按照不同的波長(zhǎng)排列成一個(gè)光譜。這個(gè)光譜可以通過(guò)相機(jī)或探測(cè)器來(lái)捕捉和記錄。這種成像原理可以用來(lái)分析光線的成分和波長(zhǎng)特性。

典型光柵光譜儀工作原理如下圖所示。光源從遠(yuǎn)處（圖中的左邊）通過(guò)成像透鏡組件進(jìn)行聚焦，形成圖像在狹縫平面上。狹縫是一個(gè)不透明的表面，只允許高度為一個(gè)像素、寬度為n個(gè)像素的矩形區(qū)域內(nèi)的光線通過(guò)。通過(guò)三個(gè)反射鏡，狹縫的圖像再次成像到二維探測(cè)器陣列上，使得狹縫的高度與探測(cè)器元件尺寸相匹配，狹縫的寬度與探測(cè)器陣列的寬度相匹配。在不考慮其他因素的情況下，二維探測(cè)器陣列只會(huì)生成通過(guò)狹縫場(chǎng)景的部分線性圖像。光譜儀還包括一個(gè)在中間鏡表面的衍射光柵，將光分散在探測(cè)器陣列上，形成每個(gè)空間位置的光譜信號(hào)，使其穿過(guò)陣列中的該維度入口狹縫。

高光譜成像光譜儀的成像原理示意圖

在獲取和校準(zhǔn)高光譜數(shù)據(jù)后，需要研究如何提取和利用其中的有效信息。與傳統(tǒng)的全色圖像或多光譜圖像不同，高光譜圖像中的信息不是直觀可見(jiàn)的，需要使用計(jì)算機(jī)處理來(lái)提取。因此，高光譜遙感領(lǐng)域一直在努力開發(fā)算法技術(shù)，用于檢測(cè)、分類、識(shí)別、量化和表征捕獲數(shù)據(jù)中感興趣的對(duì)象和特征。一般來(lái)說(shuō)，這種處理方法主要有兩種：物理建模和統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理。當(dāng)將高光譜遙感應(yīng)用于物體檢測(cè)和分類問(wèn)題時(shí)，使用統(tǒng)計(jì)處理或物理建模與統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理相結(jié)合的方法非常有效，因?yàn)檫@些方法能夠很好地捕捉光譜特性中的自然和人造變化的隨機(jī)性，這在實(shí)際圖像中通常存在且難以通過(guò)物理建模來(lái)描述。許多在通信和雷達(dá)信號(hào)處理領(lǐng)域中使用的技術(shù)也為高光譜成像應(yīng)用開發(fā)了許多新的檢測(cè)信號(hào)的方法，以應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)化噪聲情況。這些方法是針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境具體設(shè)計(jì)的，不能統(tǒng)一概述。然而，大多數(shù)方法都具有三個(gè)共同的基本功能：

（1）為了解決大氣和環(huán)境未知的影響，可以采用一種方法來(lái)補(bǔ)償，使成像光譜儀能夠以一種定量的方式捕獲目標(biāo)物體的光譜輻射率數(shù)據(jù)，例如反射率或發(fā)射率分布。

（2）基礎(chǔ)模型是用于計(jì)算圖像內(nèi)統(tǒng)計(jì)方差的模型，同時(shí)還有一種數(shù)學(xué)方法用于將數(shù)據(jù)擬合到相關(guān)模型參數(shù)。

（3）有一些方法可以基于目標(biāo)物體在場(chǎng)景中的獨(dú)特光譜特性來(lái)進(jìn)行檢測(cè)、分類和識(shí)別。通常，這些檢測(cè)、分類和識(shí)別的方法是基于對(duì)光譜數(shù)據(jù)使用合適的統(tǒng)計(jì)模型的假設(shè)檢驗(yàn)。