高光谱成像光谱扫描成像光谱仪

成像光谱仪特点
成像光谱仪的主要特点如下：
1、高光谱分辨率：成像光谱仪能够获取地表物体的高光谱分辨率数据，这意味着它能够提供比传统遥感器更详细的地物光谱信息。

这使得成像光谱仪在识别和分析地表物质方面具有更高的精度和灵敏度。

2、多光谱成像：成像光谱仪通常具有多个光谱通道，每个通道覆盖不同的光谱范围。

这使得它能够同时获取地表物体的多个光谱信息，从而提供更全面的地物特征。

3、高空间分辨率：成像光谱仪通常具有较高的空间分辨率，这意味着它能够获取地表物体的详细形状和结构信息。

这使得成像光谱仪在地质调查、环境监测、城市规划等领域具有广泛的应用前景。

4、实时数据处理：成像光谱仪通常配备有实时数据处理系统，能够实时处理和分析获取的光谱数据。

这使得成像光谱仪在实时监测和预警方面具有较高的应用价值。

高光谱成像光谱仪按照工作原理可分为两种基本类型。

一种是线阵列光学机械式扫描。

这种线阵列成像光谱仪将产生200多个连续窄光谱段。

这种扫描式的高光谱成像光谱仪主要用于航空遥感探测，因为飞机的飞行速度较慢，有利于提高空间分辨率。

如航空可见光/红外成像光谱仪(AVIRIS)可见光/近红外有224个波段，光谱范围从0.38μm~2.5nm，波段宽度很窄，仅为10nm。

中国科学院上海技术物理研究所研制的机载成像光谱仪也是这种类型的。

另一种是面阵列推帚式成像光谱仪。

它利用线阵列探测器进行推帚式扫描，形成二维面阵列，一维是线阵列，另一维作光谱仪。

图像一行一行地记录数据，不再移动元件，有多少个波段就有多少个探测元件。

如加拿大的小型机载成像光谱仪(CASI) 和我国的推帚式成像光谱仪
(PHI)就属于这种类型。

高光谱成像检测技术、高光谱成像技术的简介高光谱成像技术是近二十年来发展起来的基于非常多窄波段的影像数据技术, 其最突出的应用是遥感探测领域, 并在越来越多的民用领域有着更大的应用前景。

它集中了光学、光电子学、电子学、信息处理、计算机科学等领域的先进传统的二维成像技术和光谱技术有机的结合在一起的一门新兴技术。

技术,是高光谱成像技术的定义是在多光谱成像的基础上,在从紫外到近红外（200-2500nm 的光谱范围内,利用成像光谱仪,在光谱覆盖范围内的数十或数百条光谱波段对目标物体连续成像。

在获得物体空间特征成像的同时, 也获得了被测物体的光谱信息。

高光谱成像技术具有超多波段（上百个波段、高的光谱分辨率（几个nm 、波段窄（＜1-2入光谱范围广（200-2500nm和图谱合一等特点。

优势在于采集到的图像信息量丰富, 识别度较高和数据描述模型多。

由于物体的反射光谱具有“指纹”效应, 不同物不同谱, 同物一定同谱的原理来分辨不同的物质信息。

、高光谱成像系统的组成和成像原理高光谱成像技术的硬件组成主要包括光源、光谱相机（成像光谱仪+CCD 、装备有图像采集卡的计算机。

光谱范围覆盖了200-400nm 、400-1000nm 、900-1700 nm 、1000-2500nm。

CC D朮源「一光栅壯谱以—aI\、「维电移台.样品ACCD。

光谱相机的主要组成部分有：准直镜、光栅光谱仪、聚焦透镜、面阵高光谱成像仪的扫描过程：面阵CCD探测器在光学焦面的垂直方向上做横向排列完成横向扫描（X方向，横向排列的平行光垂直入射到透射光栅上时，形成光栅光谱。

这是一列像元经过高光谱成像仪在CCD上得到的数据。

它的横向是X方向上的像素点，即扫描的一列像元；它的纵向是各像元所对应的光谱信息。

同时,在检测系统输送带前进的过程中，排列的探测器扫出一条带状轨迹从而完成纵向扫描（丫方向。

1\综合横纵扫描信息就可以得到样品的三维高光谱图像数据。

成像光谱仪简介及其应用概述成像光谱仪：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。

它以高光谱分辨率获取景物或目标的高光谱图像。

在陆地、大气、海洋等领域的研究观测中有广泛的应用。

成像光谱仪–概述成像光谱仪是20世纪80年代开始在多光谱遥感成像技术的基础上发展起来的，它以高光谱分辨率获取景物或目标的高光谱图像，在航空、航天器上进行陆地、大气、海洋等观测中有广泛的应用，高成像光谱仪可以应用在地物精确分类、地物识别、地物特征信息的提取。

建立目标的高光谱遥感信息处理和定量化分析模型后，可提高高光谱数据处理的自动化和智能化水平.。

由于成像光谱仪高光谱分辨率的巨大优势，在空间对地观测的同时获取众多连续波段的地物光谱图像，达到从空间直接识别地球表面物质的目的，成为遥感领域的一大热点，正在成为当代空间对地观测的主要技术手段。

地面上采用成像光谱仪也取得了很大的成果，如科学研究、工农林业环境保护等方面。

成像光谱仪主要性能参数是：（1）噪声等效反射率差（NE∆p），体现为信噪比（SNR）；（2）瞬时视场角（IFOV），体现为地面分辨率；（3）光谱分辨率，直观地表现为波段多少和波段谱宽。

高光谱分辨率遥感信息分析处理，集中于光谱维上进行图象信息的展开和定量分析，其图象处理模式的关键技术有：⑴超多维光谱图象信息的显示，如图像立方体（见图一）的生成；⑵光谱重建，即成像光谱数据的定标、定量化和大气纠正模型与算法，依此实现成像光谱信息的图象-光谱转换；⑶光谱编码，尤其指光谱吸收位置、深度、对称性等光谱特征参数的算法；⑷基于光谱数据库的地物光谱匹配识别算法；⑸混合光谱分解模型；⑹基于光谱模型的地表生物物理化学过程与参数的识别和反演算法。

高光谱分辨率成像光谱遥感起源于地质矿物识别填图研究，逐渐扩展为植被生态、海洋海岸水色、冰雪、土壤以及大气的研究中。

高光谱成像技术进展By 130405100xx 一．高光谱成像技术的简介高光谱成像技术的出现是一场革命，尤其是在遥感界。

它使本来在宽波段不可探测的物质能够被探测，其重大意义已得到世界公认。

高光谱成像技术光谱分辨率远高于多光谱成像技术，因此高光谱成像技术数据的光谱信息更加详细,更加丰富,有利于地物特征分析。

有人说得好，如果把多光谱扫描成像的MSS ( multi-spectral scanner) 和TM( thematic mapper) 作为遥感技术发展的第一代和第二代的话, 那么高光谱成像( hyperspectral imagery) 技术则是第三代的成像技术。

高光谱成像技术的具体定义是在多光谱成像的基础上，从紫外到近红外（200-2500nm）的光谱范围内，利用成像光谱仪，在光谱覆盖范围内的数十或数百条光谐波段对目标物体连续成像。

在获得物体空间特征成像的同时，也获得了被测物体的光谱信息。

（一）高光谱成像系统的组成和成像原理而所谓高光谱图像就是在光谱维度上进行了细致的分割，不仅仅是传统所谓的黑、白或者R、G、B的区别，而是在光谱维度上也有N个通道，例如：我们可以把400nm-1000nm分为300个通道。

因此，通过高光谱设备获取到的是一个数据立方，不仅有图像的信息，并且在光谱维度上进行展开，结果不仅可以获得图像上每个点的光谱数据，还可以获得任一个谱段的影像信息。

目前高光谱成像技术发展迅速，常见的包括光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光、芯片镀膜等。

下面分别介绍下以下几种类别：（1）光栅分光光谱仪空间中的一维信息通过镜头和狭缝后，不同波长的光按照不同程度的弯散传播，这一维图像上的每个点，再通过光栅进行衍射分光，形成一个谱带，照射到探测器上，探测器上的每个像素位置和强度表征光谱和强度。

一个点对应一个谱段，一条线就对应一个谱面，因此探测器每次成像是空间一条线上的光谱信息，为了获得空间二维图像再通过机械推扫，完成整个平面的图像和光谱数据采集。

文章编号 2097-1842（2024）01-0079-10紫外小F 数高变倍高光谱成像仪设计刘　洋1,2，李　博1 *，林冠宇1,3，王晓旭1，李寒霜1，顾国超1（1. 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033；2. 中国科学院大学, 北京100049；3. 许健民气象卫星创新中心, 北京 100081）摘要：常规成像光谱仪一般变倍比较低，不利于大视场长狭缝多通道光学系统的扩展应用，此外，空间遥感中紫外波段的辐射能量较低，需要成像光谱仪具有更小的F 数。

针对高光谱分辨率成像光谱仪小F 数的探测需求，本文设计了一种具有高变倍的高光谱分辨率Offner 紫外成像光谱仪。

该成像光谱仪的后置分光系统采用了具有轻小型特点的改进型Offner 结构。

结合成像光谱仪对变倍比和小F 数的需求，通过理论推导得到Offner 初始结构参数。

在像面前插入一块弯月透镜，增加系统的优化自由度，进而提升系统的成像质量。

最终得到的成像光谱仪工作在270~300 nm 波段时，具有40 mm 的长狭缝，光谱分辨率优于0.6 nm ，系统变倍比小于0.22，F 数小于2，在截止频率为14 lp/mm 时，系统调制传递函数（MTF ）均优于0.9，系统各波段各视场均方根半径（RMS ）均小于12 μm 。

本文的研究对紫外波段高光谱探测成像光谱仪实现小F 数、高变倍设计提供了一种设计方案。

关 键 词：光学设计；成像光谱仪；Offner 系统中图分类号：TH744 文献标志码：A doi ：10.37188/CO.2023-0037Design of UV-band hyperspectral resolution imaging spectrometer withsmall F -number and high variable ratioLIU Yang 1,2，LI Bo 1 *，LIN Guan-yu 1,3，WANG Xiao-xu 1，LI Han-shuang 1，GU Guo-chao 1（1. Changchun Institute of Optics , Fine Mechanics and Physics , Chinese Academy of Sciences ,Changchun 130033, China ；2. University of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100049, China ；3. Innovation Center for FengYun Meteorological Satellite , Beijing 100081, China ）* Corresponding author ，E-mail : libo 0008429@Abstract : Conventional imaging spectrometers generally have low variable ratio, which is not conducive to the extended application of large-field, long-slit, multi-channel optical systems. In space remote sensing,the radiation energy of the ultraviolet band is low, which requires the imaging spectrometer to have a smaller F -number. In order to meet the requirement of detecting small F -number of high spectral resolution imaging spectrometer, an Offner UV imaging spectrometer with high spectral resolution and high variable ratio is de-收稿日期：2023-03-01；修订日期：2023-04-03基金项目：国家重点研发计划（No. 2022YFB3903202）Supported by National Key Research and Development Program of China (No. 2022YFB3903202)第 17 卷　第 1 期中国光学（中英文）Vol. 17　No. 12024年1月Chinese OpticsJan. 2024signed in this paper. An improved Offner structure with light and small size is adopted in the rear beam split-ting system of the imaging spectrometer. Based on the requirements of variable power ratio and small F-num-ber of the imaging spectrometer, the initial Offner structure parameters are derived theoretically. A meniscus lens is inserted in front of the image to increase the degree of freedom for the optimization of the system and improve the imaging quality of the system. The obtained imaging spectrometer works in the 270~300 nm band with a long slit of 40 mm, a spectral resolution better than 0.6 nm, the system variable power ratio less than 0.22, and an F number less than 2. Its Modulation Transfer Function (MTF) is better than 0.9 at a cutoff frequency of 14 lp/mm, and the Root Mean Square (RMS) radius of each field of view in each band is less than 12 μm. This study provides a design scheme for the UV-band hyperspectral detection imaging spectro-meter with small F-number and high variable ratio.Key words: optical design；imaging spectrometer；Offner system1 引　言成像光谱技术是目前应用非常广泛的的技术，可以同时获得光谱和空间两个维度的信息。

1. .遥感的定义与特点。

（名词）遥感：应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。

Remote sensing is the science and art of obtaining information about an object, area, or phenomenon through the analysis of data acquired by a device that is not in contact with the object, area, or phenomenon under investigation.（简答）遥感的特点：1>大面积的同步观测2>时效性3>数据的综合性和可比性4>经济性5>局限性（信息的提取方法、数据挖掘技术、思维方式）2. .遥感的分类（按照遥感的工作平台分类）：（地面遥感、航空遥感、航天遥感）按照探测电磁波的工作波段分类）：（可见光遥感、红外遥感、微波遥感）（按照遥感应用的目的分类）：（环境遥感、农业遥感、林业遥感、地质遥感）按照资料的记录方式）：（成像方式、非成像方式）（按照传感器工作方式分类）：（主动遥感、被动遥感）3. 简述遥感技术系统的组成1. （填空）遥感系统组成：信息源=> 信息获取=> 信息记录和传输=> 信息处理=> 信息应用4（简答）叙述植物、水和岩石、雪的光谱反射率随波长变化的一般规律：<1>植物的光谱反射曲线规律性明显，可分为三段：可见光波段有一个小的反射峰和两个吸收带。

这一特征是叶绿素的影响，其对蓝光和红光吸收作用强，对绿光反射作用强。

在近红外波段有一反射的“陡坡”，至1.1微米附近有一峰值，这是由于植被叶细胞结构的影响；在中红外波段受到绿色植物含水量的影响，吸收率大增，反射率下降。