《红外系统》课件第8章 光谱成像系统

8.1光谱成像仪的分类8.2光谱成像仪的基本性能参数8.3直接分光型光谱成像仪8.4傅里叶变换型光谱成像仪8.5计算成像型光谱成像仪8.1光谱成像仪的分类光谱成像仪是在20世纪80年代中期,根据多光谱扫描仪和红外行扫描仪等遥感仪的基本原理发展起来的,具有精细分光和扫描成像两种功能。它的基本原理是:在扫描成像原理的基础上,将成像辐射的波段划分成更狭窄的多个波段同时成像,从而获得同一景物的多个光谱波段的图像。图81表示了光谱成像技术的基本概念。1.按照光谱分辨率划分按照光谱分辨率的不同,光谱成像仪主要分为多光谱型、高光谱型和超光谱型三种,如图82所示。图83给出了四种不同扫描方式的工作示意图。3.按照光谱维信息获取方式划分按照光谱维信息获取方式和重构方法的不同,光谱成像仪主要分为直接分光型、傅里叶变换型和计算成像型三种。表82给出了几种不同分光方式的光谱成像技术的优缺点,在系统设计时,可根据使用条件和指标要求选择合理的分光方式。8.2光谱成像仪的基本性能参数8.2.1光谱成像数据的表达1.光谱成像信息集———光谱图像立方体在通常二维图像信息的基础上添加光谱维,就可以形成三维的坐标空间。如果把光谱图像的每个波段数据都看成是一个层面,将光谱成像数据整体表达到该坐标空间,就会形成一个拥有多个层面、按波段顺序叠合构成的数据(图像)立方体。设图像灰度值为DN,可以简单定义构成光谱图像立方体的三维;空间方向维X,空间方向维Y,光谱波段维Z,其构成坐标系如图84所示。为了简化处理,假设图像立方体的各个层面是“不透明”的,只能看到立方体的表面。图像立方体共有六个表面,最多可以同时看见三个表面。这六个表面又可分成两类;①空间直线X与空间直线Y决定的空间平面,即OXY平面;②空间维与波段维构成的平面,即OXZ平面和OYZ平面。OXY平面的图像与传统的图像是相同的,它可以是黑白灰度图像,反映某一个波段的信息;或者是三个波段的彩色合成图像,同时表达三个波段的合成信息,这时三个波段可以根据需要任意选择以突出某方面的信息。OXZ平面和OYZ平面的图像则与传统图像不尽相同,它们反映的不是物体特征的二维空间分布,而是某一条直线上的物体光谱信息。从直观上说,是光谱成像数据立方体在光谱维上的切面。因为图像立方体是“不透明”的,不能看见立方体内部,所以在系统实现时可以增加选择功能,由用户任意选择立方体内部的任意切面来显示。光谱成像切面是一单色平面,该切面数据反映了各波段的辐射能量,不能显示出图像的光谱特征。考虑到人对彩色的敏感程度更高,采用密度分割的方法,给各灰度级赋予不同的色彩值,可将光谱切面的灰度图转换成彩色图,再用一个与256级的彩色查找表来完成DN值到彩色的转换。2.二维光谱信息表达———光谱曲线对于某一点的光谱特征最直观的表达方式就是二维的光谱曲线。如果已知某一点的反射率(或发射率)数据为r(i),i=1,2,…,N,i为光谱的波段序号,对应每一波段的波长数据为λ(i),i=1,2,…,N,用直角坐标系表示光谱数据,横轴表示波长,纵轴表示反射率,则光谱的吸收特征可以从曲线的极小值获得。在显示曲线时,须将波段序号转换到光谱波长值,映射到水平轴上。由于成像光谱图像的波段数有限,因此光谱曲线只是一些离散的样点,通过这些样点再现光谱曲线需进行插值,最简单也最常用的插值方法是线性插值,即用折线连接样点构成光谱曲线。然而,这样连成的曲线不够光滑,特别是在波段数较少时尤为明显,如果要获得光滑的曲线,就要采用三次样条插值或其他方法。3.三维光谱信息表达———光谱曲面图二维光谱图只能表示某一像元物体的特征,反映的信息量较少,不利于对整个成像光谱、图像光谱特征的整体表达。为了同时表达出更多的光谱信息,选取一簇光谱曲线,构成三维空间的曲面,用投影方式显示在二维平面上,形成三维光谱曲面图。8.2.2光谱成像仪的主要性能参数1.光谱分辨率光谱分辨率是指光谱成像仪在波长方向上的记录宽度,又称波段宽度,表示仪器对物体光谱的探测能力,包括探测波谱的宽度、波段数、各波段的波长范围和间隔。2.空间分辨率对于光谱成像仪,其空间分辨率是由系统的角分辨力(即系统的瞬时视场角)决定的。3.辐射分辨率辐射分辨率是指光谱成像仪接收波谱信号时能分辨的最小辐射度差。4.时间分辨率时间分辨率指对同一地点进行采样的时间间隔,也称重访周期。5.凝视时间探测器的瞬时视场角扫过地面分辨单元的时间称为凝视时间,其大小为行扫描时间与每行像元数的比值。6.信噪比信噪比是光谱成像仪采集到的信号与噪声的比值。8.3直接分光型光谱成像仪8.3.1色散型光谱成像仪色散型光谱成像技术出现得比较早,技术比较成熟,它利用色散元件(一般是棱镜或光栅)使入射的复色光在一个方向上散开,再通过成像镜成像,实现光谱图像的采集。一般色散型光谱成像系统由前置物镜、狭缝、准直物镜、色散元件、成像镜和阵列探测器等组成,如图85所示。入射狭缝位于准直系统的前焦面上,入射的辐射经准直光学系统准直,再经棱镜或光栅色散后由成像系统将光能按波长顺序成像在不同位置的阵列探测器上。根据所采用的探测器类型,色散型光谱成像仪可以分为摆扫式光谱成像仪和推扫式光谱成像仪。摆扫式光谱成像仪的工作原理如图86所示。推扫式光谱成像仪的工作原理如图88所示。8.3.2滤光片型光谱成像仪采用滤光片作为分光元件的光谱成像技术可有多种实现方式,如由普通的窄带滤光片组合而成的滤光片轮、滤光片阵列(FA)、线性渐变滤光片(LVF)、声光可调谐滤光片(AOTF)、液晶可调谐滤光片(LCTF)等,其中滤光片轮、LCTF、AOTF主要用于凝视式成像,FA用于视窗式成像,LVF用于推扫式成像。图813是几种滤光片器件的实物图。滤光片轮通过旋转机构,每次更换滤光片直接插入到光路中,循环转动滤光片轮就可以得到目标的多光谱图像。滤光片阵列是在一块基片上同时镀制若干个条带的窄带滤光膜,放置于探测器靶面附近。可直接将滤光片阵列作为探测器的保护玻璃使用。探测器的行精确匹配滤光片的一个通道,使得该行接收到的辐射仅为特定窄谱段的目标辐射,由此将目标区域分割成不同光谱的子图像,再通过推扫获得完整的多光谱图像(见图814)。8.4傅里叶变换型光谱成像仪傅里叶变换型光谱成像技术,又称干涉光谱成像技术,是一种间接光谱成像技术,利用干涉图和光谱图之间的傅里叶变换关系,通过采集目标的干涉图,再经过傅里叶变换反演出目标的光谱图。由于采用了积分变换的方法进行调制,傅里叶变换型光谱成像仪能够同时记录所有谱元的信息,其光谱数据形式如图826所示,同时,利用计算机强大的处理能力,可获得信噪比更高、光谱分辨率更高的信息。相比于传统的色散型光谱成像技术,干涉方法测量光谱具有多通道、高通量、高测量精度等优点。除上述几点外,傅里叶变换型光谱成像仪能适应很宽的光谱范围(受限于探测器的光谱响应范围和光学材料的性质),同时也是目前将光谱范围和光谱分辨率融合得最好的光谱成像仪。傅里叶变换型光谱成像仪主要利用迈克尔逊干涉原理,从原理上可以分为时间调制型、空间调制型和时空联合调制型三种。顾名思义,时间调制型光谱成像仪是通过干涉仪中动镜的运动产生不同的光程差,以时间积分的方式记录所有不同光程差下对应的不同干涉级次的干涉图(条纹)信号,而探测器某一时刻上获取的是所有目标在同一光程差处的强度图像。空间调制型光谱成像仪是通过剪切干涉仪中剪切分束器产生不同的光程差,并在沿一定空间方向的不同位置上产生同一目标的不同干涉级次的干涉图,而在其垂直方向对应不同空间目标;此时一般采用面阵探测器采样,在某一时刻上获取的是相应不同目标在不同光程差处的干涉强度图像。与空间调制型光谱成像仪的原理相似,时空联合调制型光谱成像仪同样利用剪切干涉仪中剪切分束器产生不同的光程差,不同之处在于某一时刻在其沿一定空间方向的不同位置上产生不同目标的不同干涉级次的干涉图,对同一目标(成像到探测器某一点)则只产生单个干涉级次的干涉图;通过扫描目标的全部视场,获得所有不同目标的不同级次的干涉图。8.4.1时间调制型光谱成像仪时间调制型光谱成像仪通过对双光束干涉仪产生的干涉图进行傅里叶变换数值计算来测定光谱图。1.干涉图与光谱图傅里叶变换型光谱成像技术的基础是傅里叶变换光谱学,最为经典的傅里叶变换型光谱成像仪就是迈克尔逊干涉仪。迈克尔逊干涉仪通常由前置镜组、分束器、动镜、定镜、成像镜和探测器等组成,如图827所示。2.仪器线型函数在理论上,人们可以测量(0,+∞)cm-1且分辨率无限高的光谱,然而这就要求干涉仪的动镜必须扫描无限长的距离,而实际上,动镜只能在(-L,+L)有限的范围内移动,所以我们只能测量到某一有限的极大光程差L,则傅里叶变换型光谱成像仪的光谱被截断为其中,T(x)称为截断函数,一般是一个矩形函数:T(x)表示截取(-L,+L)区间内的干涉图来复原光谱,而这一区间外的干涉图全部赋值为零。由于截断函数的影响,此时的复原光谱不再是原光谱B(ν),而是原光谱B(ν)与截断函数T(x)的傅里叶变换函数F-1[T(x)]的卷积:其中称为仪器线型函数ILS(InstrumentLineShape)或光谱扫描函数。3.分辨率分辨率是光谱成像仪最重要的质量指标之一,它表示仪器能够分开两条最靠近的谱线的能力。最常用的分辨率判据是瑞利判据和半高宽判据。4.干涉图采样前面的分析表明,我们只能在(-L,+L)有限区间内对干涉图进行傅里叶变换。事实上,在(-L,+L)有限区间内,也无法用无限小的间隔来采样不同光程差的干涉图,而只能用有限大小的间隔Δx,并进行傅里叶变换。在最大光程差范围内,若以Δx的光程差间隔进行采样,则相当于得到离散光强:其中,comb()是梳状函数,是一系列脉冲函数的级数和,即为避免光谱信息损失,减小复原谱畸变和提高计算效率,在傅里叶变换运算过程中,选取合适大小的采样间隔Δx十分重要。对于波数范围为νmin~νmax的输入光谱,根据奈奎斯特(Nyquist)采样定理,干涉图采样间隔应满足:当被研究光谱波数下限不为零时,干涉图采样间隔可以比式(850)大。采样间隔必须满足更为一般的条件:5.相位误差影响在傅里叶变换光谱学中,研究某一光谱源时,某光程差为零的位置选为Δ=0或波长的整数倍均可,但是,研究复色光源时则必须将零点选在光程差为零的位置。因为复原光谱是由干涉图的傅里叶积分变换得到的,即或其中T(x)为切趾函数,故由式(852)或式(853)可知,由干涉图计算得到复原光谱时必须知道零光程差的准确位置,否则计算得到的光谱将是失真的畸变光谱。然而,在实际情况下,在读出干涉图或者数字化干涉图的过程中,事先无法预知零光程差的位置,从而难以保证正好从x=0处的零光程差开始,而是一般都存在一个零位相位误差ε。干涉图的相位误差也有其他诸多产生因素,如不同波长可能导致干涉图的相位色散,因而难以唯一地确定零光程差点。又由于采样间隔的不均匀和非对称采样,探测器光谱响应的不一致等,都会导致干涉图的非对称性,使计算光谱时出现困难。干涉仪的光学准直性不可能是完全理想的,分束器也存在吸收损耗,从而也会导致干涉图出现一定程度的非均匀性和相位误差,并且可能是非线性的相位误差。对存在零位误差的双边干涉图来说,即干涉图的有效采样范围为从-L到+L的区间,对之进行傅里叶变换,则不需要关于零位位置的准确信息,就可以消除相位误差,获得正确的复原光谱。6.技术优势(1)高光谱分辨率是通过双光束干涉仪中动镜运动产生大的光程差来实现的。理论上,动镜运动的有效行程越大,产生的光程差越大,仪器的光谱分辨率也越高。(2)高波数准确度是使用激光干涉条纹来高精度地测量动镜的位移,可以消除复原光谱中出现的“鬼线”,从而使傅里叶变换型光谱成像仪比常规分光计测定的波数更为准确。(3)高信噪比除了与高通量有关外,还与动镜的运动相关。由于动镜以V/2速度移动时,使波数为ν的干涉光强调制为频率为2πVν的电信号,再考虑严格的分束过程,其他来源或频率的光被同样调制的可能性很小。7.技术分类按照动镜运动和产生光程差的方式不同,时间调制型光谱成像仪可主要分为直线运动式、摆动运动式、旋转运动式干涉仪。8.4.2空间调制型光谱成像仪为了克服时间调制型光谱成像技术中精密动镜系统带来的技术困难,20世纪80年代后期,人们开始对静态傅里叶变换光谱成像技术进行研究。20世纪90年代,随着面阵探测器的发展,国际上出现了空间调制型傅里叶变换光谱技术的概念。空间调制型光谱成像仪的主要组成部分有前置透镜、入射狭缝、准直透镜、分束器、傅里叶变换透镜、柱面镜和探测器等,如图843所示。8.4.3时空联合调制型光谱成像仪时空联合调制型光谱成像仪(即大孔径静态干涉光谱成像仪)是在普通照相系