什么是光譜成像技術(shù)？高光譜成像技術(shù)是近四十年來(lái)才發(fā)展起來(lái)的一種全新的遙感成像技術(shù)，它具有超多波段、高光譜分辨率、波段窄、光譜范圍廣和圖譜合一等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)、植被科學(xué)、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。本文對(duì)光柵光譜儀的成像原理做了簡(jiǎn)要的介紹。

光譜成像技術(shù)的概述：

光譜成像是一門結(jié)合了設(shè)計(jì)、制造、評(píng)估和儀器應(yīng)用的藝術(shù)和科學(xué)。它能夠同時(shí)捕捉場(chǎng)景中具有高分辨率的空間和光譜特性，用來(lái)對(duì)場(chǎng)景中物體進(jìn)行檢測(cè)、分類、識(shí)別和表征。現(xiàn)行的采用光學(xué)技術(shù)開(kāi)發(fā)的用于捕獲高光譜圖像的傳感器包括：色散棱鏡或光柵分光光譜儀、邁克爾遜傅立葉變換光譜儀、空間傅立葉變換光譜儀、掃描Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具、聲光可調(diào)濾光片和介質(zhì)濾波器。在機(jī)載或天基平臺(tái)實(shí)現(xiàn)光譜成像時(shí)最常見(jiàn)的是使用色散成像光譜儀，它可以將光譜信息沿著二維的探測(cè)器陣列的一個(gè)方向進(jìn)行映射。在任何一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，光譜儀都會(huì)同時(shí)收集多個(gè)波長(zhǎng)的光線構(gòu)成場(chǎng)景的單個(gè)空間切片的一幀，然后通過(guò)掃描和收集多個(gè)幀來(lái)擴(kuò)展另一個(gè)空間維度。棱鏡式色散光譜儀可以用于反射和發(fā)射光譜區(qū)域的空中操作，如下圖所示。

光柵光譜儀的成像原理：

典型的光柵光譜儀的原理如下圖所示。光源從遠(yuǎn)處（圖中的左邊）首先由成像透鏡組件聚焦以在狹縫平面上形成圖像。狹縫是一個(gè)不透明的表面，它將，阻擋除了高為一個(gè)像素，寬為n個(gè)像素的矩形區(qū)域外的一切光線，該表面通過(guò)三個(gè)反射鏡再次成像到二維的探測(cè)器陣列上，使得狹縫的高度與探測(cè)器元件尺寸匹配，狹縫寬度與探測(cè)器陣列寬度匹配。如果不考慮其他因素，則二維的探測(cè)器陣列只會(huì)生成穿過(guò)狹縫場(chǎng)景的部分線性圖像。然而，光譜儀還包括一個(gè)在中間鏡表面的閃耀光柵進(jìn)行衍射，將光分散在所示的探測(cè)器陣列上。因此形成了穿過(guò)該陣列的這個(gè)維度入口狹縫中的每個(gè)空間位置的光譜。

在得到高光譜數(shù)據(jù)并經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)之后，就該研究如何提取和利用數(shù)據(jù)中的有效信息。與傳統(tǒng)的全色圖像或者多光譜圖像不同，高光譜圖像中的信息內(nèi)容并不能直觀的表達(dá)，需要使用計(jì)算機(jī)處理來(lái)提取它。因此，高光譜遙感研究領(lǐng)域一直致力于開(kāi)發(fā)算法技術(shù)來(lái)檢測(cè)、分類、識(shí)別、量化和表征所捕獲數(shù)據(jù)中感興趣的對(duì)象和特征。粗略地說(shuō)，這種處理一般采用兩種方法：物理建模和統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理。當(dāng)我們將高光譜遙感應(yīng)用與物體檢測(cè)和分類問(wèn)題時(shí)，使用統(tǒng)計(jì)處理方法或者物理建模和統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理方法相結(jié)合的方法是非常有效果的，因?yàn)檫@些方法能夠很好的捕獲光譜特性中自然和人造變異的隨機(jī)性，這通常存在于實(shí)際圖像中，并且難以在物理上建模。許多在通信和雷達(dá)信號(hào)處理領(lǐng)域中使用的技術(shù)為高光譜成像應(yīng)用開(kāi)發(fā)了許多檢測(cè)結(jié)構(gòu)化噪聲情況下檢測(cè)信號(hào)的新方法。這些方法針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境會(huì)變得非常具體，并不能統(tǒng)一的去概述。然而大多數(shù)方法都有三個(gè)共同的基本功能：

（1）補(bǔ)償大氣和環(huán)境的未知影響的方法，以允許由成像光譜儀以某種定量的方式捕獲目標(biāo)物體的光譜輻射率數(shù)據(jù)，例如其反射率或發(fā)射率分布；

（2）圖像內(nèi)統(tǒng)計(jì)方差的基礎(chǔ)模型，以及將數(shù)據(jù)擬合到相關(guān)模型參數(shù)的數(shù)學(xué)方法；

（3）基于其獨(dú)特的光譜特性來(lái)檢測(cè)、分類和識(shí)別場(chǎng)景中目標(biāo)物體的一些方法。檢測(cè)、分類和識(shí)別通常基于對(duì)光譜數(shù)據(jù)使用適當(dāng)統(tǒng)計(jì)模型的假設(shè)檢驗(yàn)。