成像光谱仪原理【详解】

论述了成像光谱仪的基本原理以及在农业、林业、工业及科研、环境保护等方面的应用，对我国光谱仪的研究发展概况作了简单介绍。

1 系统工作原理与结构

高光谱成像仪将成像技术和光谱技术结合在一起，在探测物体空间特征的同时并对每个空间像元色散形成几十个到上百个波段带宽为10nm左右的连续光谱覆盖。根据成像光谱仪的扫描方式，其工作原理也不尽相同，作为光学成像仪成像的一个例子，这里简述一下焦平面探测器推扫成像原理。

1.1 系统工作原理

焦平面探测器推扫成像原理见图1。地面物体的反射光通过物镜成像在狭缝平面，狭缝作为光栏使穿轨方向地面物体条带的像通过，挡掉其他部分光。地面目标物的辐射能通过指向镜，由物收 镜收集并通过狭缝增强准直照射到色散元件上，经色散元件在垂直条带方向按光谱色散，用会聚镜会聚成像在传感器使用的二维CCD面阵列探测元件被分布在光谱仪的焦平面上。焦平面的水平方向平行于狭缝，称空间维，每一行水平光敏元上是地物条带一个光谱波段的像；焦平面的垂直方向是色散方向，称光谱维，每一列光敏元上是地物条带一个空间采样视场(像元)光谱色散的像。这样，面阵探测器每帧图像数据就是一个穿轨方向地物条带的光谱数据，加上航天器的运动，以一定速率连续记录光谱图像，就得到地面二维图像及图形中各像元的光谱数据，即图像立方体。

图1.光谱成像仪数据获取系统 的结构

1.2 光谱成像仪数据获取系统构成

光谱成像仪由光学系统、信号前端处理盒、数据采集记录系统三部分组成。

数据的回放及预处理通过专用软件在高性能的微机上完成。软件具有如下功能：数据备份；快速回放；数据规整和格式转换；图像分割截取；标准格式的图像数据生成等。

2 成像光谱仪的应用

成像光谱仪的应用范围遍及化学、物理学、生物学、医学等多个领域，对于纯定性到高度定量的化学分析和测定分子结构都有很大应用价值。如在生物化学研究中，可以利用喇曼光谱鉴别一些物质的种类，还可以测定分子的振动转动频率，定量地了解分子间作用力和分子内作用力的情况，并推断分子的对称性，几何形状、分子中原子的排列，计算热力学函数、研究振动一转动拉曼光谱和转动拉曼光谱，可以获得有关分子常数的数据。对非极性分子，因为它们没有吸收或发射的转动和振动光谱，振动转动能量和对称性等许多信息反映在散射谱中。对于极性分子，通过红外光谱固然可以获得不少分子参数的知识，但是为了得到更完备的资料，也往往同时观测红外光谱和拉曼光谱，它们具有不同的选择定则，可以提供互补的数据。现在这两种光谱相互配合已经成为有力的研究工具。

图2. 光谱成像仪数据获取系统的结构

3 结语

除了以上实际应用外，目前高光谱成像仪在自然科学的大部分领域起着主要的作用。随着面阵探测器阵列制造技术的进一步提高，一些新型的成像光谱技术得到了应用，具有这些技术的光谱仪更具有可靠性和稳定性的特点，并且体积小、重量轻、光谱分辨率高、实时性更好、光谱范围更宽。这种光谱成像仪将会成为新一代光谱成像仪的代表，科学研究人员也会对此类光谱仪投入更多的关注而使其得到更广泛的应用。