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1、摘要文章介绍了超光谱成像技术的基本概念、关键问题、主要应用目标和原理，综述了超光谱成像技术的国内外发展现状；综合考虑目标红外辐射特性、大气传输透过率、色散式光谱仪辐射传递特性、选用红外探测器参数、数据链传输等环节，研究了成像光谱探测系统的辐射能量传递模型，并对光谱成像仪的主要光谱成像方式做了简单介绍；简要概括了典型星载超光谱成像仪的原理、主要技术指标以及其应用场合等,并对其未来发展趋势作简要概括；最后对全文做简单总结以及对我国发展超光谱成像技术提出一些建议。关键词：超光谱成像 遥感 成像光谱 光谱探测 超光谱成像仪I 目 录摘要.I1 前言.1 1.1 超光谱成像技术简介.2 1.1.1 超光
2、谱成像的内涵.2 1.1.2 超光谱成像技术的关键问题.3 1.2 超光谱成像技术的应用.3 1.3 超光谱成像技术发展状况.5 1.3.1 国外航天超光谱成像仪的发展.5 1.3.2 我国超光谱成像仪现状.6 1.4 发展趋势.72 超光谱成像技术的基本机理.8 2.1 成像光谱探测技术的成像机理.8 2.1.1 物质的光谱特性.8 2.1.2 大气效应对光电探测的影响.9 2.1.3 光谱成像探测模型.10 2.1.3.1 可见光/近红外波段的探测模型.11 2.1.3.2 红外波段的探测模型.13 2.1.4 传感器模型.14 2.1.4.1 传感器一般系统模型.14 2.1.4.2 成
3、像光谱仪的光谱成像方式.15 2.1.5 成像光谱仪器的综合系统模型.19 2.2 超光谱成像探测技术原理.213 典型星载超光谱成像仪.22 3.1 国内外典型星载超光谱成像仪.22 3.2 星载超光谱成像仪发展趋势展望.274 总结与未来工作展望.28 4.1 全文总结.28 4.2 未来工作.29参考文献.30 超光谱成像技术 1 前言 超光谱成像技术是在多光谱成像技术基础上发展起来的新技术。它是一种集光学、光谱学、精密机械、电子技术及计算机技术于一体的新型遥感技术，能获得空间维和光谱维的丰富信息，属于当前可见红外遥感器的前沿科学。由其物化的成像光谱仪，根据光谱分辨率(光学遥感器的性能指
4、标之一，是指遥感器在接收目标辐射的光谱时，能分辨的最小波长间隔。这种间隔越窄，光谱分辨率越高)的不同，可分为多光谱型、超光谱型和超高光谱型三种，其光谱分辨率分别为几十个、数百个和上千个谱段。传统的光学成像技术是利用物质的形态特征来区分它们，而这种技术并不总是高效率的。例如，对海水中叶绿素浓度的测量单靠形态学的特征，其测量精度往往是很低的。然而，若利用物质光谱特征法来进行解决，便可得到人们极其满意的结果。众所周知，任何两种不同的物质决不会有完全相同的光谱特性曲线。反之，任何一种物质也决不会有两种不同的光谱特性曲线。也就是说，物质的光谱特性曲线是唯一的。早在上世纪 60 年代，最初的多光谱成像技术
5、应用于地球资源卫星和军事卫星，此时能够探测的光谱波段不超过 10 个1。随着军事侦察、监视需求的拓展，对目标需要更详细深入的了解，以便进行分析、判断和作战决策，这就需要获取更多的光谱段上的信息；同时由于各种分光技术的以及工作于各波段的大规模焦平面阵列及多路读出电路等核心技术的进展，迅速推动了超光谱技术的发展。工程上规定多光谱探测技术采用的工作波段较少，一般为 10-20 个，光谱分辨率在/=0.1 左右。超光谱探测技术采用更多的工作波段，一般为 100-200 个，光谱分辨率在/=0.01 左右2。目前，随着技术的发展，已经出现了超高光谱探测技术的概念，即工作波段达到约 1000 个，/0.0
6、01。 相比多光谱探测技术而言，超光谱探测设备由于有更高的光谱分辨率，可在大量波段上工作，所以可用于多种工作场合，有更强的适应性，并且可以作为多光谱探测设备最佳波段选择的研究工具。下文将简要介绍超光谱成像技术的内涵、关键问题、应用、国内外现状及发展。1.1 超光谱成像技术简介1.1.1 超光谱成像的内涵超光谱成像探测技术是新一代光电探测技术，它不同于传统的单一宽波段成像技术，它将成像技术和光谱测量技术结合在一起，获取的信息不仅包括二维空间信息，还包含随波长分布的光谱辐射信息，形成所谓的“数据立方体”，见图 1-1所示3。该技术利用具有一定光谱分辨率的超光谱图像进行目标探测，这种光谱图像数据具有
7、“图谱合一”的特性，相比传统的单一宽波段光电探测技术，能够提供更加丰富的目标场景信息，在目标材质识别、异常目标检测、伪装目标辨识、复杂背景抑制等目标探测技术领域都有着极为重要的应用。 图 1-1 超光谱成像的“数据立方（data cube）” 该技术最大的特点就是能够将工作光谱区精细划分为多个谱段，并同时在各谱段对目标场景成像探测。由于绝大多数物质都有其独特的辐射、反射或吸收光谱特征，因此根据阵列探测器上探测到的目标物光谱分布特征，可以准确地分辨像素所对应的目标成分。其所形成的成像光谱图像可以被看成是成像光谱仪在四个层次（空间、辐射能量、时间和光谱）上进行采样所得到的数据4。在传感器瞬时视场角
8、不变的条件下，空间采样间隔的大小与飞行高度有关；辐射能量的采样大小决定传感器在不同波段内用多少字节来进行量化（即图像的灰度等级）；时间采样大小则是由飞行器连续飞过同一地点的时间间隔确定；而光谱采样则是由传感器的光谱分辨率确定，通常超光谱传感器能够以小于 10nm 的光谱间隔采样，使得通过检测细微光谱特征（例如窄带光谱吸收特征）来鉴别物质类型的遥感探测技术成为可能。1.1.2 超光谱成像技术的关键问题 目前存在于超光谱成像探测技术领域的几个主要问题主要是： （1）超光谱成像光谱仪的设计。这是一种将光学、光谱学、精密机械、微电子技术及计算机技术融于一体的新型遥感技术，实现光谱成像的方法多样，系统集
9、成复杂。光谱成像仪的设计不仅取决于元件性能的优劣，更重要的在于设计者的能力和经验。 （2）大气传输的校正。要得到真实的光谱辐射信息，必需要对大气的传输影响进行消除。目前在设计阶段和光谱数据的预处理上，通常采用专业大气传输计算软件 LOWTRAN 或 MODTRAN 来进行透过率计算分析。 （3）光谱数据的分析处理。处理算法多样，主要应用到信号分析领域中二元假设分类算法、相关分析、匹配滤波器、最佳波段选择、亚像素目标判别、CFAR分类、神经网络分类等诸多算法。 （4）光谱数据库的建立。在有效地运用超光谱成像技术探测目标之前，需要提前对各种特定目标进行光谱特征测定，建立标准目标光谱数据库，这是一个
10、庞大而艰巨的任务。1.2 超光谱成像技术的应用 任何物质无论其是以固态、液态还是气态方式存在，都有着固有的光谱特性(与其化学材料的组成有关)，其固有特性利用光谱分析的办法获得。而成像光谱仪可同时获得这些固体、液体和气体物质的光谱特性和空间分布，从而利用其光谱特性分辨其所对应的目标成分。光谱成像技术可以根据需要应用在可见/近红外波段（0.4-2.5m）、中波红外波段（3-5m）、长波红外波段（8-14m）等不同的光谱范围。可见/近红外波段是太阳反射光谱区，在该波段探测地表物体的反射可以获取土壤类型、水体特性、植被分布以及军事装备、军队部署等信息。中波红外波段的超光谱成像技术可用于探测飞机尾喷气流
11、、爆炸气体等高温物体的辐射光谱特征；长波红外波段则是多种化学物质的吸收特征光谱所在区域，可用于生化战剂的探测5。此外，长波红外波段还是实现昼夜战场侦查、监视，识别伪目标、消除背景干扰的主要光谱。超光谱成像仪的典型应用有以下几个方面:l)景物识别超光谱成像光谱仪可获得景物目标精细光谱,从而可获得更加准确的景物目标特性,用于自然资源开发、管理等方面。如探矿、作物估产、植被分类等。2)景物目标动态过程监测自然灾害不断发生，人类活动不断破坏环境的生态平衡。过分的开垦导致草原沙漠化；过多的砍伐导致大面积的水土流失；水体污染及过分开发导致频繁的大面积海洋赤潮等等。这些现象的发生和发展都有一个缓慢的变化过程
12、,对应着一定的光谱变化，如:植被的光谱“蓝移”、“红移”以及估算植物和水体叶绿素在可见光波段的荧光峰值的变化等6。准确的探测这些变化过程和区域，需要成像仪光谱分辨率在3一5nm，甚至更高。3)大气探测应用超光谱的大气应用主要包括两方面:一方面，测定地球大气中温室气体含量如臭氧及污染气体成分；另一方面进行大气温度和水汽垂直分布的确定，大气过程研究、地球表面成分分析等，以气象应用为主，它需要光谱分辨率为0.01一1cm-1,大气探测对光谱分辨率的要求较高。4) 军事应用 超光谱成像光谱仪的军事应用主要表现在:军事目标的识别、战场打击效果评价、导弹预警系统及红外对抗等方面7。超光谱成像光谱仪可以获得
13、较精细的目标光谱曲线,用它获得的图像,可进行军事装备的识别和军事武器部署的侦察；通过观测战场的光谱变化,可获得对大规模地面战争打击效果评价；通过红外超光谱的探测烟雾，获得战场上武器利用情况,如是否采用了核武器或生化武器等。1.3 超光谱成像技术发展状况超光谱成像探测技术的发展首先是从遥感领域开始的，20 世纪 80 年代国际遥感发展最具标志性的成果就是成像光谱仪的出现，它的出现开启了超光谱成像探测技术的开端。目前，已有许多国家相继研制出各具特色的成像光谱仪，数量达四十种之多，这些传感器有的己经进入了商业运营，技术比较成熟8。此外，许多具有高空间分辨率和高光谱分辨率的成像光谱仪正在或即将进入实用阶段。1.3
