《紅外系統(tǒng)》課件第8章 光譜成像系統(tǒng)

8.1光譜成像儀的分類8.2光譜成像儀的基本性能參數(shù)8.3直接分光型光譜成像儀8.4傅里葉變換型光譜成像儀8.5計(jì)算成像型光譜成像儀8.1光譜成像儀的分類光譜成像儀是在20世紀(jì)80年代中期,根據(jù)多光譜掃描儀和紅外行掃描儀等遙感儀的基本原理發(fā)展起來的,具有精細(xì)分光和掃描成像兩種功能。它的基本原理是:在掃描成像原理的基礎(chǔ)上,將成像輻射的波段劃分成更狹窄的多個(gè)波段同時(shí)成像,從而獲得同一景物的多個(gè)光譜波段的圖像。圖81表示了光譜成像技術(shù)的基本概念。1.按照光譜分辨率劃分按照光譜分辨率的不同,光譜成像儀主要分為多光譜型、高光譜型和超光譜型三種,如圖82所示。圖83給出了四種不同掃描方式的工作示意圖。3.按照光譜維信息獲取方式劃分按照光譜維信息獲取方式和重構(gòu)方法的不同,光譜成像儀主要分為直接分光型、傅里葉變換型和計(jì)算成像型三種。表82給出了幾種不同分光方式的光譜成像技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),可根據(jù)使用條件和指標(biāo)要求選擇合理的分光方式。8.2光譜成像儀的基本性能參數(shù)8.2.1光譜成像數(shù)據(jù)的表達(dá)1.光譜成像信息集———光譜圖像立方體在通常二維圖像信息的基礎(chǔ)上添加光譜維,就可以形成三維的坐標(biāo)空間。如果把光譜圖像的每個(gè)波段數(shù)據(jù)都看成是一個(gè)層面,將光譜成像數(shù)據(jù)整體表達(dá)到該坐標(biāo)空間,就會形成一個(gè)擁有多個(gè)層面、按波段順序疊合構(gòu)成的數(shù)據(jù)(圖像)立方體。設(shè)圖像灰度值為DN,可以簡單定義構(gòu)成光譜圖像立方體的三維;空間方向維X,空間方向維Y,光譜波段維Z,其構(gòu)成坐標(biāo)系如圖84所示。為了簡化處理,假設(shè)圖像立方體的各個(gè)層面是“不透明”的,只能看到立方體的表面。圖像立方體共有六個(gè)表面,最多可以同時(shí)看見三個(gè)表面。這六個(gè)表面又可分成兩類;①空間直線X與空間直線Y決定的空間平面,即OXY平面;②空間維與波段維構(gòu)成的平面,即OXZ平面和OYZ平面。OXY平面的圖像與傳統(tǒng)的圖像是相同的,它可以是黑白灰度圖像,反映某一個(gè)波段的信息;或者是三個(gè)波段的彩色合成圖像,同時(shí)表達(dá)三個(gè)波段的合成信息,這時(shí)三個(gè)波段可以根據(jù)需要任意選擇以突出某方面的信息。OXZ平面和OYZ平面的圖像則與傳統(tǒng)圖像不盡相同,它們反映的不是物體特征的二維空間分布,而是某一條直線上的物體光譜信息。從直觀上說,是光譜成像數(shù)據(jù)立方體在光譜維上的切面。因?yàn)閳D像立方體是“不透明”的,不能看見立方體內(nèi)部,所以在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)可以增加選擇功能,由用戶任意選擇立方體內(nèi)部的任意切面來顯示。光譜成像切面是一單色平面,該切面數(shù)據(jù)反映了各波段的輻射能量,不能顯示出圖像的光譜特征。考慮到人對彩色的敏感程度更高,采用密度分割的方法,給各灰度級賦予不同的色彩值,可將光譜切面的灰度圖轉(zhuǎn)換成彩色圖,再用一個(gè)與256級的彩色查找表來完成DN值到彩色的轉(zhuǎn)換。2.二維光譜信息表達(dá)———光譜曲線對于某一點(diǎn)的光譜特征最直觀的表達(dá)方式就是二維的光譜曲線。如果已知某一點(diǎn)的反射率(或發(fā)射率)數(shù)據(jù)為r(i),i=1,2,…,N,i為光譜的波段序號,對應(yīng)每一波段的波長數(shù)據(jù)為λ(i),i=1,2,…,N,用直角坐標(biāo)系表示光譜數(shù)據(jù),橫軸表示波長,縱軸表示反射率,則光譜的吸收特征可以從曲線的極小值獲得。在顯示曲線時(shí),須將波段序號轉(zhuǎn)換到光譜波長值,映射到水平軸上。由于成像光譜圖像的波段數(shù)有限,因此光譜曲線只是一些離散的樣點(diǎn),通過這些樣點(diǎn)再現(xiàn)光譜曲線需進(jìn)行插值,最簡單也最常用的插值方法是線性插值,即用折線連接樣點(diǎn)構(gòu)成光譜曲線。然而,這樣連成的曲線不夠光滑,特別是在波段數(shù)較少時(shí)尤為明顯,如果要獲得光滑的曲線,就要采用三次樣條插值或其他方法。3.三維光譜信息表達(dá)———光譜曲面圖二維光譜圖只能表示某一像元物體的特征,反映的信息量較少,不利于對整個(gè)成像光譜、圖像光譜特征的整體表達(dá)。為了同時(shí)表達(dá)出更多的光譜信息,選取一簇光譜曲線,構(gòu)成三維空間的曲面,用投影方式顯示在二維平面上,形成三維光譜曲面圖。8.2.2光譜成像儀的主要性能參數(shù)1.光譜分辨率光譜分辨率是指光譜成像儀在波長方向上的記錄寬度,又稱波段寬度,表示儀器對物體光譜的探測能力,包括探測波譜的寬度、波段數(shù)、各波段的波長范圍和間隔。2.空間分辨率對于光譜成像儀,其空間分辨率是由系統(tǒng)的角分辨力(即系統(tǒng)的瞬時(shí)視場角)決定的。3.輻射分辨率輻射分辨率是指光譜成像儀接收波譜信號時(shí)能分辨的最小輻射度差。4.時(shí)間分辨率時(shí)間分辨率指對同一地點(diǎn)進(jìn)行采樣的時(shí)間間隔,也稱重訪周期。5.凝視時(shí)間探測器的瞬時(shí)視場角掃過地面分辨單元的時(shí)間稱為凝視時(shí)間,其大小為行掃描時(shí)間與每行像元數(shù)的比值。6.信噪比信噪比是光譜成像儀采集到的信號與噪聲的比值。8.3直接分光型光譜成像儀8.3.1色散型光譜成像儀色散型光譜成像技術(shù)出現(xiàn)得比較早,技術(shù)比較成熟,它利用色散元件(一般是棱鏡或光柵)使入射的復(fù)色光在一個(gè)方向上散開,再通過成像鏡成像,實(shí)現(xiàn)光譜圖像的采集。一般色散型光譜成像系統(tǒng)由前置物鏡、狹縫、準(zhǔn)直物鏡、色散元件、成像鏡和陣列探測器等組成,如圖85所示。入射狹縫位于準(zhǔn)直系統(tǒng)的前焦面上,入射的輻射經(jīng)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直,再經(jīng)棱鏡或光柵色散后由成像系統(tǒng)將光能按波長順序成像在不同位置的陣列探測器上。根據(jù)所采用的探測器類型,色散型光譜成像儀可以分為擺掃式光譜成像儀和推掃式光譜成像儀。擺掃式光譜成像儀的工作原理如圖86所示。推掃式光譜成像儀的工作原理如圖88所示。8.3.2濾光片型光譜成像儀采用濾光片作為分光元件的光譜成像技術(shù)可有多種實(shí)現(xiàn)方式,如由普通的窄帶濾光片組合而成的濾光片輪、濾光片陣列(FA)、線性漸變?yōu)V光片(LVF)、聲光可調(diào)諧濾光片(AOTF)、液晶可調(diào)諧濾光片(LCTF)等,其中濾光片輪、LCTF、AOTF主要用于凝視式成像,FA用于視窗式成像,LVF用于推掃式成像。圖813是幾種濾光片器件的實(shí)物圖。濾光片輪通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),每次更換濾光片直接插入到光路中,循環(huán)轉(zhuǎn)動濾光片輪就可以得到目標(biāo)的多光譜圖像。濾光片陣列是在一塊基片上同時(shí)鍍制若干個(gè)條帶的窄帶濾光膜,放置于探測器靶面附近。可直接將濾光片陣列作為探測器的保護(hù)玻璃使用。探測器的行精確匹配濾光片的一個(gè)通道,使得該行接收到的輻射僅為特定窄譜段的目標(biāo)輻射,由此將目標(biāo)區(qū)域分割成不同光譜的子圖像,再通過推掃獲得完整的多光譜圖像(見圖814)。8.4傅里葉變換型光譜成像儀傅里葉變換型光譜成像技術(shù),又稱干涉光譜成像技術(shù),是一種間接光譜成像技術(shù),利用干涉圖和光譜圖之間的傅里葉變換關(guān)系,通過采集目標(biāo)的干涉圖,再經(jīng)過傅里葉變換反演出目標(biāo)的光譜圖。由于采用了積分變換的方法進(jìn)行調(diào)制,傅里葉變換型光譜成像儀能夠同時(shí)記錄所有譜元的信息,其光譜數(shù)據(jù)形式如圖826所示,同時(shí),利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理能力,可獲得信噪比更高、光譜分辨率更高的信息。相比于傳統(tǒng)的色散型光譜成像技術(shù),干涉方法測量光譜具有多通道、高通量、高測量精度等優(yōu)點(diǎn)。除上述幾點(diǎn)外,傅里葉變換型光譜成像儀能適應(yīng)很寬的光譜范圍(受限于探測器的光譜響應(yīng)范圍和光學(xué)材料的性質(zhì)),同時(shí)也是目前將光譜范圍和光譜分辨率融合得最好的光譜成像儀。傅里葉變換型光譜成像儀主要利用邁克爾遜干涉原理,從原理上可以分為時(shí)間調(diào)制型、空間調(diào)制型和時(shí)空聯(lián)合調(diào)制型三種。顧名思義,時(shí)間調(diào)制型光譜成像儀是通過干涉儀中動鏡的運(yùn)動產(chǎn)生不同的光程差,以時(shí)間積分的方式記錄所有不同光程差下對應(yīng)的不同干涉級次的干涉圖(條紋)信號,而探測器某一時(shí)刻上獲取的是所有目標(biāo)在同一光程差處的強(qiáng)度圖像。空間調(diào)制型光譜成像儀是通過剪切干涉儀中剪切分束器產(chǎn)生不同的光程差,并在沿一定空間方向的不同位置上產(chǎn)生同一目標(biāo)的不同干涉級次的干涉圖,而在其垂直方向?qū)?yīng)不同空間目標(biāo);此時(shí)一般采用面陣探測器采樣,在某一時(shí)刻上獲取的是相應(yīng)不同目標(biāo)在不同光程差處的干涉強(qiáng)度圖像。與空間調(diào)制型光譜成像儀的原理相似,時(shí)空聯(lián)合調(diào)制型光譜成像儀同樣利用剪切干涉儀中剪切分束器產(chǎn)生不同的光程差,不同之處在于某一時(shí)刻在其沿一定空間方向的不同位置上產(chǎn)生不同目標(biāo)的不同干涉級次的干涉圖,對同一目標(biāo)(成像到探測器某一點(diǎn))則只產(chǎn)生單個(gè)干涉級次的干涉圖;通過掃描目標(biāo)的全部視場,獲得所有不同目標(biāo)的不同級次的干涉圖。8.4.1時(shí)間調(diào)制型光譜成像儀時(shí)間調(diào)制型光譜成像儀通過對雙光束干涉儀產(chǎn)生的干涉圖進(jìn)行傅里葉變換數(shù)值計(jì)算來測定光譜圖。1.干涉圖與光譜圖傅里葉變換型光譜成像技術(shù)的基礎(chǔ)是傅里葉變換光譜學(xué),最為經(jīng)典的傅里葉變換型光譜成像儀就是邁克爾遜干涉儀。邁克爾遜干涉儀通常由前置鏡組、分束器、動鏡、定鏡、成像鏡和探測器等組成,如圖827所示。2.儀器線型函數(shù)在理論上,人們可以測量(0,+∞)cm-1且分辨率無限高的光譜,然而這就要求干涉儀的動鏡必須掃描無限長的距離,而實(shí)際上,動鏡只能在(-L,+L)有限的范圍內(nèi)移動,所以我們只能測量到某一有限的極大光程差L,則傅里葉變換型光譜成像儀的光譜被截?cái)酁槠渲?T(x)稱為截?cái)嗪瘮?shù),一般是一個(gè)矩形函數(shù):T(x)表示截取(-L,+L)區(qū)間內(nèi)的干涉圖來復(fù)原光譜,而這一區(qū)間外的干涉圖全部賦值為零。由于截?cái)嗪瘮?shù)的影響,此時(shí)的復(fù)原光譜不再是原光譜B(ν),而是原光譜B(ν)與截?cái)嗪瘮?shù)T(x)的傅里葉變換函數(shù)F-1[T(x)]的卷積:其中稱為儀器線型函數(shù)ILS(InstrumentLineShape)或光譜掃描函數(shù)。3.分辨率分辨率是光譜成像儀最重要的質(zhì)量指標(biāo)之一,它表示儀器能夠分開兩條最靠近的譜線的能力。最常用的分辨率判據(jù)是瑞利判據(jù)和半高寬判據(jù)。4.干涉圖采樣前面的分析表明,我們只能在(-L,+L)有限區(qū)間內(nèi)對干涉圖進(jìn)行傅里葉變換。事實(shí)上,在(-L,+L)有限區(qū)間內(nèi),也無法用無限小的間隔來采樣不同光程差的干涉圖,而只能用有限大小的間隔Δx,并進(jìn)行傅里葉變換。在最大光程差范圍內(nèi),若以Δx的光程差間隔進(jìn)行采樣,則相當(dāng)于得到離散光強(qiáng):其中,comb()是梳狀函數(shù),是一系列脈沖函數(shù)的級數(shù)和,即為避免光譜信息損失,減小復(fù)原譜畸變和提高計(jì)算效率,在傅里葉變換運(yùn)算過程中,選取合適大小的采樣間隔Δx十分重要。對于波數(shù)范圍為νmin~νmax的輸入光譜,根據(jù)奈奎斯特(Nyquist)采樣定理,干涉圖采樣間隔應(yīng)滿足:當(dāng)被研究光譜波數(shù)下限不為零時(shí),干涉圖采樣間隔可以比式(850)大。采樣間隔必須滿足更為一般的條件:5.相位誤差影響在傅里葉變換光譜學(xué)中,研究某一光譜源時(shí),某光程差為零的位置選為Δ=0或波長的整數(shù)倍均可,但是,研究復(fù)色光源時(shí)則必須將零點(diǎn)選在光程差為零的位置。因?yàn)閺?fù)原光譜是由干涉圖的傅里葉積分變換得到的,即或其中T(x)為切趾函數(shù),故由式(852)或式(853)可知,由干涉圖計(jì)算得到復(fù)原光譜時(shí)必須知道零光程差的準(zhǔn)確位置,否則計(jì)算得到的光譜將是失真的畸變光譜。然而,在實(shí)際情況下,在讀出干涉圖或者數(shù)字化干涉圖的過程中,事先無法預(yù)知零光程差的位置,從而難以保證正好從x=0處的零光程差開始,而是一般都存在一個(gè)零位相位誤差ε。干涉圖的相位誤差也有其他諸多產(chǎn)生因素,如不同波長可能導(dǎo)致干涉圖的相位色散,因而難以唯一地確定零光程差點(diǎn)。又由于采樣間隔的不均勻和非對稱采樣,探測器光譜響應(yīng)的不一致等,都會導(dǎo)致干涉圖的非對稱性,使計(jì)算光譜時(shí)出現(xiàn)困難。干涉儀的光學(xué)準(zhǔn)直性不可能是完全理想的,分束器也存在吸收損耗,從而也會導(dǎo)致干涉圖出現(xiàn)一定程度的非均勻性和相位誤差,并且可能是非線性的相位誤差。對存在零位誤差的雙邊干涉圖來說,即干涉圖的有效采樣范圍為從-L到+L的區(qū)間,對之進(jìn)行傅里葉變換,則不需要關(guān)于零位位置的準(zhǔn)確信息,就可以消除相位誤差,獲得正確的復(fù)原光譜。6.技術(shù)優(yōu)勢(1)高光譜分辨率是通過雙光束干涉儀中動鏡運(yùn)動產(chǎn)生大的光程差來實(shí)現(xiàn)的。理論上,動鏡運(yùn)動的有效行程越大,產(chǎn)生的光程差越大,儀器的光譜分辨率也越高。(2)高波數(shù)準(zhǔn)確度是使用激光干涉條紋來高精度地測量動鏡的位移,可以消除復(fù)原光譜中出現(xiàn)的“鬼線”,從而使傅里葉變換型光譜成像儀比常規(guī)分光計(jì)測定的波數(shù)更為準(zhǔn)確。(3)高信噪比除了與高通量有關(guān)外,還與動鏡的運(yùn)動相關(guān)。由于動鏡以V/2速度移動時(shí),使波數(shù)為ν的干涉光強(qiáng)調(diào)制為頻率為2πVν的電信號,再考慮嚴(yán)格的分束過程,其他來源或頻率的光被同樣調(diào)制的可能性很小。7.技術(shù)分類按照動鏡運(yùn)動和產(chǎn)生光程差的方式不同,時(shí)間調(diào)制型光譜成像儀可主要分為直線運(yùn)動式、擺動運(yùn)動式、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動式干涉儀。8.4.2空間調(diào)制型光譜成像儀為了克服時(shí)間調(diào)制型光譜成像技術(shù)中精密動鏡系統(tǒng)帶來的技術(shù)困難,20世紀(jì)80年代后期,人們開始對靜態(tài)傅里葉變換光譜成像技術(shù)進(jìn)行研究。20世紀(jì)90年代,隨著面陣探測器的發(fā)展,國際上出現(xiàn)了空間調(diào)制型傅里葉變換光譜技術(shù)的概念?？臻g調(diào)制型光譜成像儀的主要組成部分有前置透鏡、入射狹縫、準(zhǔn)直透鏡、分束器、傅里葉變換透鏡、柱面鏡和探測器等,如圖843所示。8.4.3時(shí)空聯(lián)合調(diào)制型光譜成像儀時(shí)空聯(lián)合調(diào)制型光譜成像儀(即大孔徑靜態(tài)干涉光譜成像儀)是在普通照相系