成像光谱仪工作原理

2.3.1　成像光谱仪工作原理

高光谱数据是图谱合一的海量数据源，它同时包含了图像信息和光谱信息，能够给出各个波段上每个像素的光谱强度数据，而且光谱分辨率很高。这种数据在一些对光谱、图像和光谱分辨率要求较高的领域就显示出无可替代的作用。例如，在食品安全检测中，利用高光谱数据具有较高的光谱分辨率，人们通过光谱分析的办法可找到食品危险源。

高光谱图像就是在一叠连续波长成像条件下获得的样品图像数据（见图2－4），称为图像立方体（image cube）。这个图像立方体具有两个空间维度（x坐标和y坐标），第三维为每个像素的波长。

高光谱图像立方体是通过成像光谱仪获取的。成像光谱仪（或高光谱成像系统）本身是一种获取图像的传感器，它可以获取光谱信息。一般，成像光谱仪器及其配套采集软件是不提供该图像立方体的显示功能的。通常把成像光谱仪获取的数据导入到相应软件（如ENVI软件）中才能显示出图像信息。

图2－4　高光谱图像立方体

获取高光谱图像有两种方法：一种是推扫式（push－broom），适合动态成像，也就是成像光谱仪随着搭载平台时刻在运动而探测的目标静止，或者是成像光谱仪静止而目标随着搭载平台时刻在运动（见图2－5）；另外一种是波长扫描式（wavelength scanning），适合静态成像，也就是成像光谱仪和目标都是静止不动的。

推扫式成像是目前民用科研工作使用最普遍的一种形式。它应用面阵探测器加推扫式扫描的工作方式。工作时利用色散元件和面阵探测器完成光谱扫描，利用面阵探测器或工作平台的运动完成空间扫描。

图2－5　推扫式成像方式（动态测量方式）

1—光源；2—带面阵探测器的相机；3—工作平台；

4—样品；5—面阵探测器或工作平台的运动方向

结合图2－5进一步说明其工作原理。由光源1提供成像用光源，带面阵探测器的相机2由成像镜头、狭缝、色散元件、面阵探测器及其他部件组成，详细介绍见2.3.2节。采集数据时，光源1照射到样品上的光通过镜头和狭缝进入相机，由于狭缝作用后的线状光到达色散元件，进而色散成各种波长的光，然后这些色散后的光成面状到达面阵探测器，在相机面阵探测器上获得样品线状区域的各波长处光谱信息，再通过软件组合成高光谱图像。

波长扫描式的成像方式适合静态测量，其基本结构包括光源、相机、工作平台。相机主要由成像镜头、可调液晶滤波器或声光可调滤波器、面阵探测器及其他部件组成。成像时不需要面阵探测器或工作平台的运动。工作时，样品上的散射光通过镜头进入可调液晶滤波器或声光可调滤波器，在外部控制作用下使可调液晶滤波器或声光可调滤波器进行连续波长的变化，这样可在相机面阵探测器上获取不同波长下的图像，进而形成高光谱图像。