高光谱成像仪常见分光方式和成像方式有几种？

高光谱成像仪作为精密的光学仪器，它将光谱技术和图像技术融合，不仅可以获得待测物的空间信息，而且还可以获得图像各个像素点的光谱信息产生光谱图像，具有图谱合一的特点。本文对高光成像仪常见的分光方式和成像方式做了介绍，对此感兴趣的朋友不妨了解一下！

高光谱成像仪常见分光方式介绍：

相比于其他类型的光电系统，高光谱成像仪的最大特色在于它的光谱分光系统，各种类型的成像光谱仪也因分光方式的不同而特点各异。下文对高光谱成像仪较为常用的几类分光方式进行了介绍。

1.光栅分光

光栅分光是利用了光学衍射的基本原理。最基本的透射型衍射光栅由大量相等大小、相等间隔的小狭缝组成，单个狭缝引起一个衍射条纹，并且从各个狭缝来的波还发生干涉。因而，在透镜的焦面上形成一种组合的干涉-衍射条纹，条纹极大位置与波长有关，从而获得我们所需要的色散谱线。一般的光栅光信号的最大能量在不色散“零级”的位置上，为了获得特定位置的光谱分布，通过平面闪耀光栅实现。光栅作为高光谱成像仪的分光组件，其最大的优点是光谱色散呈线性，最大衍射能量的波长位置可以通过改变闪耀光栅的闪耀角进行调整，在全光谱波段均可使用，结构相对也比较简单。其缺点是高阶光谱的存在不仅分散了一部分能量，还会对工作的光谱形成干扰。在目前成熟的高光谱成像仪中，光栅分光还是最为普遍的选择。

为了提高光栅分光系统的光学质量和效率，简化结构，在平面光栅的基础上，又发展了曲面光栅，包括凹面光栅和凸面光栅，特别是在发散光束中使用凸面光栅的方法，不但结构简单、体积小、重量轻，而且可以通过选择光栅常数和成像系统的变焦来满足空间和光谱分辨率的要求，并且可以克服准直光束应用方法中像面弯曲的问题。凸面光栅和离轴反射系统在视场、光学效率、像质等方面具有优势，另外跟凹面光栅相比，它具有更好的成像平场度。凸面光栅已成为光栅式成像光谱仪的首选，特别是应用于星载高分辨率高光谱成像载荷。把光栅和棱镜相结合，保留各自的优点，就出现了棱镜-光栅-棱镜结构的分光系统，这类分光系统也在多种成像光谱仪中得到应用。

2.棱镜分光

棱镜分光主要利用棱镜的色散原理，单色光经光楔折射后将发生偏转，不同的波长会产生不同的偏转角，从而达到分光的要求。其优点是结构简单，所有光学能量都通过棱镜，形成唯一的光谱色散谱线，光能利用效率高；缺点是不同波长的光线经过棱镜后，色散是非线性的，使得不同波长波段间的空间位置和信号不均衡，且用来做长波红外色散棱镜的材料并不多，棱镜分光一般用于可见、近红外和短波红外波段的光谱分光。

3.滤光片式分光

使某些波长的光高透射而另一些波长的光高反射的元件称为滤光片。滤光片式高光谱成像仪有很多种类，如旋转滤光片式、劈形滤光片式、可调谐滤光片式等。旋转滤光片式高光谱成像仪是由一组不同波长的窄带滤光片组成滤光片轮，通过轮子的转动获得不同波长的高光谱分辨率的图像。劈形滤光片式高光谱成像仪把透过波长渐变的劈形滤光片耦合在焦平面探测器的前面。它采用面阵探测器，在一次曝光时间里可以获得一组不同波长和不同位置的高光谱图像，通过推扫可获得整个成像光谱的数据立方体。滤光片式高光谱成像仪的特点是设计简单，实现也相对容易，但一景图像的每一行分别对应不同的地面目标和不同的光谱波段，给图像的配准和数据的后处理带来许多困难。可调谐滤光片式是通过某种特殊的物理材料，在电性能的控制下，使其成为不同波长的窄带滤光片，典型的有声光可调谐器件和液晶可调谐器件。声光可调谐滤光器（AOTF）是根据声光衍射原理制成的新型分光器件，而液晶可调谐滤光片是利用液晶双折射原理来形成的一个窄带滤光片。

4.傅里叶变换分光

傅里叶变换分光主要利用了迈克尔逊干涉原理，从原理上可以分为时间调制（动态）型和空间调制（静态）型。时间调制型傅里叶分光的核心就是一台迈克尔逊干涉型成像光谱仪，通过动镜的运动产生光程差，而形成干涉图像。记录该干涉图像，通过傅里叶变换反演就可以获取目标点的光谱图像。空间调制型傅里叶高光谱成像仪又称静止型傅里叶高光谱成像仪，地面上的目标点发出的光束通过分束片和反射镜，产生光程差，在像面上产生空间相干的干涉条纹，同样记录该干涉图像，通过傅里叶变换反演获取目标的光谱图像。

高光谱成像仪的常见成像方式介绍：

高光谱成像系统主要由光源、CCD摄像机、成像光谱仪、镜头、图像采集卡、计算机及控制装置等组成，其最主要的工作部件是成像光谱仪，它是一种新型传感器，于20 世纪80年代初发展起来。该光谱仪最重要的特点在于波段多且宽度窄，使得高光谱成像仪能探测到别的宽波段无法探测到的物体，光谱响应范围更广，光谱分辨率更高，能够更加精细地发现被探测物的微小特征，更重要的是它可以提供空间域和光谱域信息的结合，也就是“图谱合一”，但同时也存在着数据量大、冗余信息多的特点。

根据高光谱图像采集和形成方式的不同，其获取方式可以分为点扫描、线扫描和面扫描3种方式。点扫描方式每次只能获取1个像素点的光谱，为获取高光谱图像需频繁地移动光谱相机或检测对象，不利于快速检测，因此，点扫描方式常用于微观对象的检测。线扫描方式每次可以获取扫描线上所有点的光谱，该方式特别适合于传送带上方物体的动态检测，是果蔬品质检测时最常用的图像获取方式。点扫描和线扫描方式都是在空间域进行扫描，而面扫描是在光谱域进行扫描的方式，面扫描方式每次可以获取单个波长下完整的空间图像，通过面扫描获取高光谱图像时需要转动滤光片切换轮或调节可调滤波器。面扫描方式一般用于所需波长图像数目较少的多光谱成像系统中。

所谓的高光谱图像就是数据立方块，指在光谱维度上进行了更加细致的分割，在光谱维度上有多个通道。通过高光谱设备获取到的数据立方块，不仅可以获得图像上每个点的光谱数据，而且可以获得任一谱段的图像信息。

由于高光谱数据信息量大，冗余度高，在实际应用中选择最有效的波长来开发多光谱成像系统很有必要。多光谱成像技术的原理，是利用物体对不同波长光线的吸收存在差异，通过对目标物体在一组红外和近红外范围内特定光线波长中的光强度变化进行监测，来实现检测、辨别等应用需求。其最大的优势就是所捕获的单色图像的波长是通过窄带滤波器自由选择的最有效波长，以达到实时检测的目的。