目前，在國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家的高光譜成像系統(tǒng)產(chǎn)品普遍處于較先進(jìn)水平，世界大型生產(chǎn)企業(yè)主要集中在北美和歐洲等。國外知名度高的廠商憑借良好的產(chǎn)品和口碑長期占據(jù)比較大的市場份額。同時，國外公司有比較成熟的設(shè)備，強(qiáng)大的研發(fā)能力，技術(shù)水平優(yōu)于國內(nèi)企業(yè)。

2017年全球高光譜成像系統(tǒng)產(chǎn)量達(dá)到395臺，銷售額約6849萬美元。qyresearch預(yù)計2023年將達(dá)到13456萬美元，年復(fù)合增長率（CAGR）為11.91%。從全球范圍看，北美是最大生產(chǎn)地區(qū)，主要生產(chǎn)企業(yè)也集中在這一地區(qū)，比如美國Headwall Photonics,美國Resonon，美國Surface Optics，美國康寧（并購NovaSol），加拿大ITRES，加拿大Telops和美國Brimrose等。北美地區(qū)2017產(chǎn)量共239臺，占全球的60.61%，其次是歐洲，主要生產(chǎn)商有芬蘭Specim，歐洲微電子研究中心（IMEC），挪威納斯克電子光學(xué)公司（Norsk Elektro Optikk AS）等。中國的高光譜成像行業(yè)仍然是一個未開發(fā)的市場。中國高光譜成像產(chǎn)品目前主要應(yīng)用于軍事機(jī)構(gòu)和部分高校研究機(jī)構(gòu)，量產(chǎn)并形成銷售的企業(yè)不多。目前形成生產(chǎn)和銷售能力的主要企業(yè)有北京卓立漢光和深圳中達(dá)瑞和等廠商，大多數(shù)的高光譜成像產(chǎn)品仍然依賴進(jìn)口。

高光譜成像系統(tǒng)市場增長的推動因素主要是技術(shù)應(yīng)用由軍事機(jī)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)向民用企業(yè)，例如生命科學(xué)和診斷，地質(zhì)調(diào)查，植被遙感，農(nóng)業(yè)監(jiān)測，大氣遙感，水文學(xué)，災(zāi)害環(huán)境遙感，土壤調(diào)查等。然而，高投入，高安裝費(fèi)用等問題正在阻礙該市場的增長。雖然國內(nèi)高光譜成像市場有良好的政策紅利，但是由于上游原材料均被國外公司壟斷，而國內(nèi)企業(yè)在核心設(shè)備上仍無法突破技術(shù)瓶頸，使得產(chǎn)品的價格波動受制于上游原材料廠商。對中國的生產(chǎn)企業(yè)非常不利，中國的高光譜成像行業(yè)仍需很長的路要走。

在未來幾年，高光譜成像市場有望在亞太地區(qū)獲得高速增長。雖然高光譜成像系統(tǒng)帶來了很多的機(jī)會，考慮到技術(shù)研發(fā)水平和原材料制約因素，研究組建議的新進(jìn)入者只是有資金，但沒有技術(shù)優(yōu)勢，全面鋪開的銷售渠道及上下游的支持最好不要進(jìn)入這個領(lǐng)域。

高光譜遙感的發(fā)展趨勢

高光譜遙感是高光譜分辨率遙感的簡稱。它是在電磁波譜的可見光，近紅外，中紅外和熱紅外波段范圍內(nèi)，獲取許多非常窄的光譜連續(xù)的影像數(shù)據(jù)的技術(shù)。其成像光譜儀可以收集到上百個非常窄的光譜波段信息。高光譜遙感已發(fā)展成一個頗具特色的前沿技術(shù)，并孕育形成了一門成像光譜學(xué)的新興學(xué)科門類。它的出現(xiàn)和發(fā)展將人們通過遙感技術(shù)觀測和認(rèn)識事物的能力帶入了又一次飛躍，續(xù)寫和完善了光學(xué)遙感從全色經(jīng)多光譜到高光譜的全部影像信息鏈。由于高光譜遙感影像提供了更為豐富的地球表面信息，因此受到國內(nèi)外學(xué)者的很大關(guān)注，并有了快速發(fā)展。其應(yīng)用領(lǐng)域已涵蓋地球科學(xué)的各個方面，在地質(zhì)找礦和制圖、大氣和環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)和森林調(diào)查、海洋生物和物理研究等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

2.2.1 國內(nèi)高光譜成像儀的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)高光譜成像技術(shù)的研究開始于20世紀(jì)80年代，對于機(jī)載成像光譜技術(shù)的研究，國內(nèi)機(jī)載高光譜成像技術(shù)的發(fā)展基本與國外同步。世界上第一臺高光譜儀AIS-1于1983年在美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制成功，在礦物填圖、植被化學(xué)成分、水色及大氣水分等方面進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用，并獲得成功。與此同時，以中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所為主，與美國GER公司進(jìn)行合作，成功研制出一臺早期的6波段細(xì)分紅外光譜儀（FIMS），在美國成功地進(jìn)行了礦物填圖試驗(yàn)。在我國“七五”期間，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所開展了64波段可見短波紅外和7波段熱紅外模塊航空高分辨率光譜儀的研制工作。由中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制的MAIS，OMIS，PHI和WHI等系列機(jī)載高光譜成像儀，其性能指標(biāo)均處于國際先進(jìn)水平，并在國內(nèi)外的遙感應(yīng)用中獲取了大量實(shí)用化的高光譜圖像數(shù)據(jù)，極大地推動了國際上成像光譜技術(shù)的發(fā)展。

與國外相比，中國星載高光譜成像技術(shù)的發(fā)展有較大差距。我國第一臺高光譜成像儀是中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制的SZ-3中分辨率高光譜成像儀，于2002年發(fā)射，成為全球第二個上天的可見光/紅外中分辨率光譜成像儀，其空間分辨率為500m，光譜通道數(shù)為30個，其成果獲得2004年國家科技進(jìn)步二等獎。在“九五”和“十五”期間，國家部署了星載高光譜成像儀的研究工作，已取得了重大進(jìn)展。例如，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所承擔(dān)的星載高光譜成像技術(shù)的研究項(xiàng)目，研制出了工程樣機(jī)，其光譜范圍為400～2500nm，光譜分辨率為5～12nm；在軌道高度500km下，空間分辨率達(dá)20m，幅寬為20km，通過了力學(xué)試驗(yàn)。2008年9月發(fā)射的環(huán)境一號A衛(wèi)星上，裝載了一臺傅立葉分光高光譜成像儀，光譜覆蓋可見近紅外波段，光譜通道數(shù)為115個，空間分辨率為100m，幅寬為50km，用于環(huán)境和災(zāi)害的監(jiān)測。

（1）實(shí)用型模塊化高光譜成像儀（OMIS）

OMIS是20世紀(jì)70年代以來，在所研制的各類通用/專用航空掃描儀的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)成像光譜技術(shù)的發(fā)展趨勢而研制的一臺光機(jī)掃描型高光譜成像儀。其波段覆蓋全，在可見光到長波紅外的所有大氣窗口上設(shè)置探測波段，滿足不同需求的綜合遙感應(yīng)用；工作效率高，采用70°以上的掃描視場，提高實(shí)用化作業(yè)效率；采樣波段多，系統(tǒng)工作波段達(dá)到128個，是當(dāng)時國際上光譜通道數(shù)最多的遙感儀器之一；定量化程度高，通過機(jī)上實(shí)時定標(biāo)裝置與實(shí)驗(yàn)室輻射和光譜定標(biāo)裝置，使系統(tǒng)具備定量化成像光譜數(shù)據(jù)的能力。

OMIS研制成功后，在國內(nèi)外進(jìn)行了數(shù)百次的遙感飛行，獲取了大量的成像光譜數(shù)據(jù)，受到了國內(nèi)外同行和用戶的高度評價。該項(xiàng)目獲得2002年上海市科技進(jìn)步一等獎和2004年國家科技進(jìn)步二等獎。OMIS系統(tǒng)的詳細(xì)性能指標(biāo)見表2.1 ，圖2.1是OMIS系統(tǒng)的實(shí)物照片，圖2.2是OMIS典型遙感應(yīng)用圖像。

表2.1 OMIS系統(tǒng)性能指標(biāo)

（2）機(jī)載推帚式高光譜成像儀（Airborne WHI）

WHI是中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所于1997年研制成功的機(jī)載推帚式高光譜成像儀。WHI實(shí)現(xiàn)了高性能、實(shí)用化的總體設(shè)計，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。WHI儀器的主要技術(shù)指標(biāo)如表2.2所示。

圖2.1 OMIS系統(tǒng)的實(shí)物照片

圖2.2 OMIS典型遙感飛行圖像（北京北郊）

表2.2 WHI性能指標(biāo)

WHI已成功用于我國廣西、新疆、江西等地的生態(tài)環(huán)境、城市規(guī)劃等遙感應(yīng)用項(xiàng)目及日本、馬來西亞等國際合作項(xiàng)目，取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益，并獲得2004年國家科技進(jìn)步二等獎。圖2.3是WHI高光譜成像儀的實(shí)物照片，圖2.4是WHI在日本名古屋飛行時獲取的圖像。

圖2.3 WHI高光譜成像儀的實(shí)物照片

圖2.4 WHI高光譜成像儀獲取的圖像（日本名古屋）

（3）HJ-1-A衛(wèi)星高光譜成像儀

中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所于2003年開始承擔(dān)環(huán)境一號A星主載荷高光譜成像儀（HJ-1-A/FTHSI）的研制工作，環(huán)境一號衛(wèi)星于2008年9月發(fā)射，主要用于環(huán)境和災(zāi)害的監(jiān)測。HJ-1-A/FTHSI是我國第一臺在軌運(yùn)行的對地觀測高光譜成像儀，對于促進(jìn)我國高光譜成像技術(shù)的發(fā)展具有重要意義，其性能指標(biāo)如表2.3所示。圖2.5是HJ-1-A衛(wèi)星高光譜成像儀的實(shí)物照片。

表2.3 HJ-1-A衛(wèi)星高光譜成像儀技術(shù)指標(biāo)

續(xù)表

圖2.5 HJ-1-A衛(wèi)星高光譜成像儀的實(shí)物照片

2.2.2 國外高光譜成像儀的研究現(xiàn)狀

2.2.2.1 第一代高光譜成像儀

1983年，第一幅由航空高光譜成像儀（AIS-1）獲取的高光譜分辨率圖像以全新的面貌呈現(xiàn)在科學(xué)界面前，它的出現(xiàn)標(biāo)志著第一代高光譜分辨率傳感器的面世。第一代高光譜成像儀以AIS-I和AIS-2為代表，在以后數(shù)年中AIS數(shù)據(jù)被成功地應(yīng)用于多個研究領(lǐng)域。

AIS高光譜成像儀由光學(xué)系統(tǒng)、探測器和電子線路三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2.6所示。AIS的光學(xué)系統(tǒng)由前置光學(xué)系統(tǒng)和光譜儀兩部分組成，前置光學(xué)系統(tǒng)是由M1和M2兩個反射鏡組成的同軸許瓦茨希爾特望遠(yuǎn)鏡，口徑為23.5mm，焦距為70.7mm；光譜儀是由準(zhǔn)直鏡M3、光柵和會聚反射鏡M4組成。

圖2.6 AIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表2.4給出了AIS高光譜成像儀的主要性能指標(biāo)，其光譜范圍覆蓋了短波紅外1.2～2.4μm，譜段數(shù)多達(dá)128個，光譜采樣間隔優(yōu)于10nm，但幅寬只有150多米。因?yàn)楫?dāng)時探測器的研制技術(shù)有限，所以其幅寬非常窄。但它的確開創(chuàng)了兼顧高光譜和高空間分辨率、使光譜和圖像合一的高光譜遙感技術(shù)新時代。

表2.4 AIS主要性能指標(biāo)

2.2.2.2 第二代高光譜成像儀

第二代高光譜成像儀于1987年問世，美國宇航局從1983年開始研制一種名為航空可見光高光譜成像儀（AVIRIS），它是第二代高光譜成像儀的代表。此后，許多國家先后研制出多種類型的航空高光譜成像儀，如美國的AVIRIS，DAIS，加拿大的FLI，CASI，德國的ROSIS，澳大利亞的HyMap等，國外典型的機(jī)載高光譜成像儀如表2.5所示。與AIS傳感器相比，AVIRIS在傳感器本身、定標(biāo)、數(shù)據(jù)系統(tǒng)及飛行高度等方面都有很大的改進(jìn)。與AIS不同，AVIRIS是掃描型高光譜成像儀。

表2.5 AVIRIS性能指標(biāo)指標(biāo)

如圖2.7所示，AVIRIS采用肯尼迪（Kennedy）掃描機(jī)構(gòu)，利用三角形棱柱的兩面反射鏡實(shí)現(xiàn)高效率掃描，焦面上的四根光導(dǎo)纖維按垂直飛行軌跡方向排列，它們將收集到的各波段像元的輻射傳送到四個光譜儀的入口處，其中四個光譜儀的波段范圍分別為0.4～0.7μm，0.6～1.25μm，1.2～1.82μm，1.78～2.4μm。光譜儀采用一種自準(zhǔn)直型施密特（Schmidt）全反射系統(tǒng)，使用光柵進(jìn)行分光，光柵排列在非球面校正鏡上。分光后的光線再經(jīng)光譜儀的反射鏡聚焦到探測器列陣上，以便得到多光譜圖像。AVIRIS設(shè)計時有四項(xiàng)主要要求：①在光譜方面，比AIS寬，可以覆蓋0.4～2.5μm的太陽反射波段；②在空間分辨率方面，比AIS提高將近一倍；③幅寬比AIS提高將近一個量級，總視場為30°，每行達(dá)到550 個像元；④提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，為應(yīng)用研究部門提供高可靠性的有用數(shù)據(jù)。圖2.8和表2.5分別給出了儀器的結(jié)構(gòu)模型和主要性能指標(biāo)。

2.2.2.3 第三代高光譜成像儀

在航天領(lǐng)域，由美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制的對地觀測計劃中的中分辨率高光譜成像儀（MODIS），隨TERRA衛(wèi)星發(fā)射，成為第一顆在軌運(yùn)行的星載高光譜成像儀。21世紀(jì)以來，在機(jī)載儀器成功研制并推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)上，世界航天大國紛紛開展高光譜成像技術(shù)的空間應(yīng)用，主要有：

1）1997年發(fā)射失敗的LEWIS-Hyperspectral Imager；

圖2.7 AVIRIS光機(jī)原理圖

圖2.8 AVIRIS儀器結(jié)構(gòu)模型圖

2）2001年10月22日發(fā)射的歐洲CHRIS（Compact High Resolution Imaging Spectrometer）；

3）2000年7月19日發(fā)射的美國強(qiáng)力星傅立葉高光譜成像儀MightySatII-FTHSI（Fourier Transform Hyper-Spectral Imager）；

4）2000年12月21日發(fā)射的美國航空航天局新千年計劃的EO1-Hyperion高光譜成像儀；

5）2001年9月21日發(fā)射失敗的OrbView4-WarFighter1 hyperspectral imager；

6）2005年8月10日發(fā)射的火星勘探者M(jìn)RO-CRISM（MARS Reconnaissance Orbiter-Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars）；

7）計劃中的美國海軍NEMO-COIS（Naval Earth Map Observer Program，Coastal Ocean Imaging Spectrometer）。

表2.6 給出了國外星載高光譜成像儀的主要技術(shù)指標(biāo)。光譜范圍基本分布在 0.4～2.5μm（CRISM覆蓋到了4.05μm），空間分辨率為8～60m，幅寬為5～30km，光譜分辨率為5～20nm。典型的星載高光譜成像儀有歐洲的CHRIS，美國的Hyperion和FTHSI，它們分別代表了以棱鏡、傅立葉干涉和光柵分光的三種主要的分光方式。

表2.6 國外星載高光譜成像技術(shù)的主要技術(shù)指標(biāo)

（1）基于棱鏡分光的CHRIS高光譜成像儀

CHRIS是歐空局在軌自主運(yùn)行計劃（PROBA-1，Project for On-Board Autonomy）的主要有效載荷，該衛(wèi)星于2001年10月22日在印度Shriharikota 航天發(fā)射場發(fā)射升空。經(jīng)過幾年的在軌運(yùn)行，CHRIS獲取了大量高質(zhì)量的空間成像光譜數(shù)據(jù)。

CHRIS覆蓋400～1050nm的可見近紅外譜段，采用棱鏡分光，望遠(yuǎn)鏡的口徑為120mm，F(xiàn)數(shù)為6。望遠(yuǎn)鏡采用折反射同軸兩反系統(tǒng)，主反射鏡和次反射鏡均采用球面結(jié)構(gòu)，光學(xué)入瞳處的彎月形大透鏡校正球差，光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖2.9所示。CHRIS系統(tǒng)的光譜儀包括入射狹縫、兩個曲面棱鏡、三個球面反射鏡（其中包含2個凹面和1個凸面）構(gòu)成。類似Offner結(jié)構(gòu)的三反鏡起到二次成像的作用，光路中的兩個球面棱鏡起到色散和會聚的作用。

圖2.9 CHRIS系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)圖

CHRIS的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對簡單、質(zhì)量輕、空間分辨率較高，不足的是僅覆蓋了可見近紅外譜段。另外，CHRIS的光譜采樣間隔為非均勻分布。圖2.10是CHRIS的光譜帶寬分布曲線，可以看出短波方向光譜帶寬較窄，在400 nm的波段位置為1.25 nm；長波方向光譜帶寬較大，1050 nm的波段位置為11 nm。圖2.11給出了 CHRIS 在軌的系統(tǒng)信噪比，“Peak_SNR”來自圖 2.12 中的（a）圖像，“SNR”來自（b）圖像。

圖2.10 CHRIS儀器光譜分辨率與波長的關(guān)系曲線

（2）基于傅立葉干涉分光的FTHSI高光譜成像儀

美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室于2000年7月19日在范登堡空軍基地發(fā)射了一顆搭載首臺空間平臺傅立葉高光譜成像儀（FTHSI）的衛(wèi)星MightySatII。FTHSI覆蓋475～1050nm的光譜范圍，采用Sagnac干涉儀進(jìn)行分光，光譜分辨率約85 cm-1。FTHSI也是第一臺應(yīng)用于空間對地觀測的高光譜成像儀。光學(xué)系統(tǒng)由有效口徑為165 mm的R-C望遠(yuǎn)鏡和Sagnac干涉儀組成。系統(tǒng)空間維的F數(shù)為3.4 ，光譜維的F數(shù)為5.3。探測器選用Thomson公司的TH7887A探測器，工作幀頻為75～110 fps。根據(jù)不同的像元合并，量化精度為8 bit或12 bit。圖2.13是FTHSI系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，圖2.14給出了系統(tǒng)的測試信噪比，只有720～960 nm之間的光譜通道信噪比大于50 ，到550 nm之前的光譜通道信噪比已小于20 ，而500 nm以前光譜通道的信噪比已幾乎為零。

圖2.11 CHRIS光譜各通道信噪比

圖2.12 CHRIS信噪比測試圖像

圖2.13 MightySatII/FTHSI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2.14 MightySatII.1/FTHSI信噪比測試結(jié)果

（3）基于凸面光柵分光的Hyperion高光譜成像儀

EO-1（Earth Observing-1）是美國NASA為接替Landsat 7而研制的新地球觀測衛(wèi)星，于2002年11月發(fā)射升空。Hyperion高光譜成像儀是EO-1衛(wèi)星的主要光學(xué)有效載荷，其主要任務(wù)是在軌驗(yàn)證高光譜成像技術(shù)，評估利用星載高光譜成像儀的對地觀測能力。系統(tǒng)著眼于能夠減少當(dāng)前商業(yè)遙感衛(wèi)星（LandSat）和相關(guān)地球觀測系統(tǒng)成本的新型遙感器和衛(wèi)星技術(shù)。

Hyperion儀器由光機(jī)頭部組件（HSA）、電子學(xué)組件（HEA）、制冷電子學(xué)組件（HEA）組成，如圖2.15所示。HSA包括光學(xué)系統(tǒng)、制冷器、在軌定標(biāo)系統(tǒng)和高速焦平面電子學(xué)電路。光學(xué)系統(tǒng)由望遠(yuǎn)物鏡和兩個光柵分光計組成。主光學(xué)采用離軸三反系統(tǒng)，口徑為125mm，F(xiàn)數(shù)為8；后光學(xué)是基于凸面光柵分光的offner光譜儀，其空間分辨率為30m，在0.4～2.5μm范圍內(nèi)共有220個波段，其中在可見光近紅外（400～1000nm）范圍內(nèi)有60個波段，在短波紅外（900～2500nm）范圍內(nèi)有160個波段。兩個通道在900～1000 nm的波段范圍內(nèi)有光譜重疊，可以利用這些光譜進(jìn)行交叉定標(biāo)。圖2.16給出了Hyperion各光譜通道的信噪比分布曲線。

圖2.15 Hyperion高光譜成像儀組成

圖2.16 Hyperion光譜通道信噪比

2.2.3 高光譜成像儀的發(fā)展趨勢

從發(fā)展趨勢來看，目前國外高光譜成像技術(shù)發(fā)展已經(jīng)完成了演示驗(yàn)證階段，正走向面向任務(wù)的業(yè)務(wù)化、商業(yè)化發(fā)展階段。美國國家航天局JPL實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)的EO-1衛(wèi)星Hyperion儀器在軌演示了星載高光譜成像儀在礦產(chǎn)資源探測、環(huán)境監(jiān)測、城市規(guī)劃等方面的突出能力。通過EO-1-Hyperion及機(jī)載AVIRIS的綜合應(yīng)用研究，目前美國產(chǎn)業(yè)界和軍方均著手于星載高光譜成像儀在商業(yè)化運(yùn)作、軍事偵察等方面的業(yè)務(wù)應(yīng)用。歐空局及俄羅斯在星載高光譜成像儀研制與應(yīng)用方面也給予了極大的關(guān)注。

為滿足業(yè)務(wù)化運(yùn)行的需要，高光譜成像儀正向著更寬的光譜覆蓋范圍、更高的空間分辨率、更大的幅寬和更高的定量化水平方向發(fā)展。從表2.7可以看出，目前國際上發(fā)展的高光譜成像儀的性能指標(biāo)均有大幅提高。在“863”項(xiàng)目“寬幅高光譜小衛(wèi)星載荷關(guān)鍵技術(shù)研究”的支持下，我國開展了相應(yīng)載荷的研制工作，高光譜成像儀在幅寬和波段數(shù)上具有優(yōu)勢，其他指標(biāo)與上述同類儀器相近。

表2.7 國內(nèi)外計劃發(fā)展的高性能民用星載高光譜成像儀