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高光谱成像技术国内外研究现状

时间:2021-11-02 20:49来源:毕业论文
在过去的二十多年来,高光谱成像技术得到迅速的发展。就目前来说,我国空间分辨率最高、光谱性能指标最高的高光谱成像仪搭载在天宫一号目标飞行器中。在国际上来说,该仪器还

在过去的二十多年来,高光谱成像技术得到迅速的发展。就目前来说,我国空间分辨率最高、光谱性能指标最高的高光谱成像仪搭载在天宫一号目标飞行器中。在国际上来说,该仪器还是首次通过使用相移速度补偿技术来实现高分辨率的短波红外高光谱成像仪,且在地物分类、波段范围等方面已近似或已赶上国际上同类产品的水准。短波红外探测设备空间分辨率为20米,共有73个波段,光谱分辨率达到23nm。该设备还有很多优点,如波谱段多、波谱段宽度窄、光谱探测能力强、数据量大、图像光谱合二为一等,这些特点让它被广泛使用。而美国Bayspec Portability公司生产的OCI-2000TM高光谱成像仪是一种快速(非扫描,抓拍式)的高光谱成像仪,它通过快速抓拍(通常积分时间在30ms内)获得光谱图像,因此不存在扫描的过程。这种快照抓拍模式有一种很重要优势那就是可以有效的避免运动伪影,从而简化数据处理过程和提高成像处理时间。该高光谱成像仪高度集成,使用了高端超光谱成像仪上使用的先进芯片级图像传感器,从而不再需要那些在传统成像仪中使用的笨重、昂贵、复杂的光学系统。这使得它不仅成像快速,而且轻巧灵便,可以安装在无人机上或是生产线传输带的任何地方。可以看出,这种紧凑型的超高光谱成像仪会在越来越宽广的领域中被使用。而该公司生产的BaySpec OCI-U高光谱摄像头通过连续的光谱和立体的覆盖获得VIS-NIR高光谱数据,是世界上最紧凑的无人机应用的光谱拍摄系统,其创造性的光谱芯片成像技术降低了系统的复杂性。73649

从不同的光谱获取原理考虑,可以把高光谱成像仪分为干涉型(即傅里叶变换型)、光栅衍射型、棱镜色散型、计算层析型、滤光片型五大类。其中干涉型是采用干涉仪实现两相干光干涉获得目标的干涉图,进而通过傅里叶变换关系得到光谱数据。它的早期干涉仪多为传统的迈克尔逊干涉仪,具有光谱范围宽、光通量大等优点;光栅衍射型和棱镜色散型分别利用光栅的衍射特性和棱镜的色散特性来直接得到目标的光谱信息,性能稳定、原理简单、技术成熟是这两类高光谱成像仪的优点,但入射狭缝的存在限制了它们的信噪比和光通量[6];滤光片型还有线性滤光、旋转滤光等多种形式,它采取的是在相机中加滤光片的方法,即把滤光片作为分光元件。这种类型的高光谱成像仪需要经过调制才能获得整个数据立方体,是一种间接成像方式[7];而计算层析型是一种新的方向,还处于理论和方法研究阶段。因此目前应用较多的是干涉型和色散型。论文网

色散型光谱成像仪虽然结构简单,但光谱分辨率很难做到5nm以下,而受狭缝的限制,分辨率和光通量间存在不能同时得到优化的矛盾。因此,干涉型成了主要的研究方向。传统的傅里叶变换成像光谱仪(也就是干涉型成像光谱仪)属于时间调制型,采用的是在传统成像仪的出瞳面用机械扫描迈克尔逊干涉仪的方法,这种方法有很高的光谱分辨率[8,9]。扫描干涉仪的其中一个镜面使得干涉仪两臂之间的光程差不同,将探测阵列的每个像素上产生的干涉图作为临时扫描光程差的函数。干涉图的傅里叶变换相应地在每个像素上产生了光谱,使记录下来的干涉图立方体生成数据立方体[10]。但由于移动镜扫描造成的无法对目标物的光谱信息进行实时探测、物理扰动对干涉图的敏感影响、成本高等问题严重阻碍了该光谱成像仪的实际应用,为解决这些问题,随之发展起来的空间调制型成了研究的主流。

对空间调制型干涉光谱成像技术的研究很好的解决了时间调制型的缺点,这种基于横向剪切干涉仪的方式在大大降低成本的同时还能具有探测波段更宽、体积更小、性能稳定、抗振性好等优点。按照光路结构和分光元件的不同,空间调制型光谱成像仪可分为两种类型:一种为反射型,它是采用光在反射体和分束板上反射、透射来实现光束剪切的,如萨格纳克干涉光谱成像仪[11];另一种为双折射型,它是将一束线偏振光通过单轴晶体的双折射效应得到振动方向互相垂直的两束偏振光来实现剪切的,如Wollaston棱镜干涉光谱成像仪[12]。静态的空间调制型干涉成像光谱仪在很多领域都得到了广泛的应用,如法国空间中心的超高光谱分辨率卫星[13]、中国嫦娥一号卫星搭载的干涉成像光谱仪[14]、美国海军研究局的空间调制干涉成像光谱仪[15]、意大利航天局的地球遥感稳态成像干涉仪[16]。但这些光谱成像仪都只能获得光谱信息而无法获得目标的偏振信息,所以目前科学家们致力于研究能同时得到光谱信息、图像信息、偏振信息的新型干涉光谱成像仪[9, 高光谱成像技术国内外研究现状:http://www.youerw.com/yanjiu/lunwen_84055.html

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