1.1　高光谱遥感

本节首先介绍高光谱遥感的基本概念、特点、发展现状及应用，接下来介绍遥感光谱成像仪的分类。高光谱成像仪有多种类型，技术成熟较早的是色散型光谱成像仪，干涉型高光谱成像仪虽发展较晚，但其高光谱分辨率、高通量、高信噪比的突出优势，使其极具发展前景。

1.1.1　高光谱遥感的基本概念

高光谱遥感使用的光学遥感器（成像仪、光谱仪）通过系统中的光电探测器实现目标图像、光谱信息的采集和存储，其光学成像系统的性能使用一些参量进行评价，并通常作为光学遥感器的光学性能评价指标，主要有视场角、瞬时视场角、空间分辨率、光谱分辨率、时间分辨率、光谱响应函数、信噪比、探测器凝视时间、光谱采样间隔、调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）等。

光学遥感器（成像仪、光谱仪）通过系统中的光电探测器实现目标图像、光谱信息的采集和存储，因此光学遥感器的光学成像系统性能同样使用这些参量进行评价。

1．视场角

在光学仪器中，以光学仪器的镜头为顶点，以被测目标的物像可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角，称为视场角。视场角的大小决定了光学仪器的视野范围，视场角越大，视野范围就越大，光学倍率就越小。

2．瞬时视场角

瞬时视场角是指探测器内单个探测元件的观测视野，又称为探测器的角分辨率，单位为毫弧度（mrad）或微弧度（μrad）。

3．空间分辨率

空间分辨率是指遥感图像中单个像素所代表的地面范围的大小，表示遥感图像上能够识别的两个相邻地物的最小距离。空间分辨率在地面上的实际尺寸也称为地面分辨率。对于扫描影像，空间分辨率则是成像像素所对应的地面实际尺寸（单位为m），即扫描仪的瞬时视场，或是地物能分辨的最小单元。空间分辨率是评价探测器性能和遥感信息的重要指标之一，也是识别地物形状、大小的重要依据。

4．光谱分辨率

光谱分辨率是指探测器在接收目标辐射的光谱时能分辨的最小波长间隔。间隔越小，分辨率越高。对于探测器的每个响应波段，光谱分辨率为达到50%光谱响应最大值处的波段宽度。图1.1所示为一个波段的光谱响应曲线。

图1.1　一个波段的光谱响应曲线

5．时间分辨率

时间分辨率是指对同一地点进行遥感采样的时间间隔，也称重访周期。

6．光谱响应函数

光电探测器对单色辐射的相对响应率即为探测器的光谱响应函数。光学遥感器的光谱响应函数，是遥感器在工作谱段对于遥感器接收的单色辐射的相对响应率，这个光谱响应率除了主要反映成像面光电探测器的光谱响应性能外，还受到遥感器光学系统各器件对光谱的吸收、反射的影响。图1.2所示为一个典型碲镉汞短波红外探测器的相对光谱响应曲线。

图1.2　典型的碲镉汞短波红外探测器的相对光谱响应曲线

7．信噪比

信噪比（Signal-Noise Ratio，S/N或SNR）是指一个电子设备或电子系统中信号与噪声的比例。信号是指来自设备外部、需要通过这台设备进行处理的电子信号，噪声是指经过该设备后产生的原信号中并不存在的无规则的额外信号（或信息），并且额外信号并不随原信号的变化而变化。

信噪比是探测器的一个极其重要的性能参数，信噪比的高低直接影响了图像的分类和图像目标的识别等处理效果。信噪比和图像的空间分辨率、光谱分辨率相互制约，后两者的提高都会降低信噪比。实际应用中需在一定的要求下权衡利弊，综合考虑这3个指标的选择。

8．探测器凝视时间

探测器的瞬时视场角扫过地面分辨单元的时间称为凝视时间。凝视时间越长，进入探测器的能量越多，光谱响应越强，图像的信噪比就越高。

9．光谱采样间隔

光谱采样间隔是指相邻波段通道的光谱峰值响应点间的波长间隔。

10．调制传递函数MTF （Modulation Transfer Function）

MTF是评价光学成像系统的成像质量的指标。对于光学成像系统，可以利用拍摄正弦光栅（测试标板中的黑白相间的栅格）的方法进行测试，以评价光学成像系统的成像质量。

亮度按正弦变化的周期图形称为“正弦光栅”。正弦光栅的空间频率就是单位长度（每毫米）内亮度按照正弦变化的图形的周期数。典型的正弦光栅如图1.3所示。

图1.3　典型的正弦光栅

相邻的两个最大值的距离是正弦光栅的空间周期，单位是mm。空间周期的倒数就是空间频率（Spatial Frequency），单位是线对/毫米（lp/mm）。正弦光栅最亮处与最暗处的差别，反映了图形的反差（对比度）。设最大亮度为I_max，最小亮度为I_min，我们用调制度（Modulation）M表示对比度的大小。调制度M定义如下：

M=(I_max − I_min)/(I_max + I_min)

正弦信号通过镜头后，它的调制度的变化是正弦信号空间频率的函数，这个函数称为调制传递函数MTF。对于原来调制度为M的正弦光栅，如果经过镜头到达像平面的像的调制度为Mʹ，则MTF的值为：

MTF= Mʹ/M

光学遥感器成像系统的MTF表征了其空间传输特性，是影响图像分辨率和清晰度的重要因素。遥感器成像系统的MTF由探测器件、光学系统性能、对焦精度、像元配准精度及大气等各种因素共同决定。

1.1.2　高光谱遥感的特点

高光谱遥感是指以高光谱分辨率（甚至高达10−3λ）为探测目标的光学遥感技术，特别是20世纪80年代光谱成像技术的出现，将光学遥感技术带入了一个崭新的阶段。

高光谱成像技术是现代科学技术高度集中的产物，是一种集光学、光谱学、精密机械、电子技术、计算机技术及信息处理技术于一体的新型遥感技术。它将成像技术和光谱测量技术有机地结合在一起，在获得目标地物空间影像信息的同时，获得每个地面像元在数十或数百个狭窄（通常小于10nm）而连续的波段上的光谱信息，实现了地物空间信息、辐射信息、光谱信息的同步获取。这样，不仅可以得到多个狭窄光谱波段的目标地物图像，还可以得到每个地面像元的光谱曲线。这极大地提高了从遥感数据中定量获取并判别关注信息的能力，因而高光谱成像技术的应用被誉为光学遥感领域的一次飞跃，是20世纪80年代遥感领域最重要的成果之一。

将高光谱成像技术应用于遥感领域的仪器是光谱成像仪（Spectral Imager），也可称为成像光谱仪（Imaging Spectrometer）。高光谱成像仪获取的三维图谱数据可显示为不同波段的图像数据，被称为数据立方体（Data Cube），能够从中提取不同像元的光谱曲线。图1.4描述了高光谱数据立方体及其像元光谱信息提取。

图1.4　高光谱数据立方体及其像元光谱信息提取

光谱成像技术随着数据立方体波段数的增加，从仅包含几个波段的多光谱（Multispectral）遥感发展为包含上百个波段的高光谱遥感。

传统的多光谱扫描仪通常只记录10个左右的光谱波段，光谱分辨率在可见-近红外线（简称红外）通道达到100nm量级，而高光谱成像仪却能够得到上百个通道、连续波段的图像数据，从而可以从每个像元中提取一条完整的光谱曲线。与地面光谱辐射计相比，光谱成像仪不在“点”上进行光谱测量，它在连续空间上进行光谱测量，因此它是光谱成像的。与传统多光谱遥感相比，高光谱的光谱通道不是离散的，而是连续的，因此从它的每个像元均能提取一条平滑而完整的光谱曲线，如图1.5所示。

图1.5　多光谱与高光谱对比

图1.5描述了多光谱数据与高光谱数据之间的区别，高光谱数据中每个像元的光谱有更多的采样点，因此光谱曲线更为连续，包含了丰富的光谱信息量。

高光谱数据包含的信息主要有空间图像信息和光谱信息，在不同时间对同一地物进行观测还可获得时相信息。对高光谱数据进行特征变换，可以得到每一个像元的数学特征信息。

在国际上，根据传感器波段数的多少，将高光谱技术做如下分类。

（1）光谱分辨率在10−1λ数量级范围内的遥感称为多光谱遥感，这类传感器在可见光和近红外光谱区只有几个波段。其代表主要有Landsat-7卫星上搭载的ETM+，第一颗地球观测系统（Earth Observation System，EOS）卫星上搭载的先进空间热发射和反射辐射仪（Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer，ASTER）。ETM+在0.45～12.5μm的谱段范围内具有8个谱段，ASTER在0.52～11.7μm的谱段范围内具有14个谱段。

（2）光谱分辨率在10−2λ数量级范围内的遥感称为高光谱遥感，其光谱分辨率在可见光和近红外光谱区高达纳米（nm）量级，在可见-近红外光谱区的波段数多达数十甚至数百个。这类仪器的研制开始于20世纪80年代，典型代表有美国研制的机载可见/红外成像光谱仪（Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer，AVIRIS）、地球观测-1（Earth Observation-1，EO-1）搭载的高光谱成像仪Hyperion。AVIRIS在0.4～2.45μm的谱段范围内具有220个谱段，Hyperion在0.4～2.5µm的谱段范围内具有220个谱段。

（3）当光谱分辨率达到10−3λ时，遥感即进入了超高光谱（Ultraspectral）阶段，获取的图谱数据超过1000个谱段。这类光谱仪主要用于大气探测等需要较高光谱分辨率的应用方向，主要代表是美国在静止实验卫星EO-3上搭载的地球同步成像傅里叶变换光谱仪（Geosynchronous Imaging Fourier Transform Spectrometer，GIFTS），覆盖中波红外4.4～6.1μm谱段和长波红外8.85～14.6μm谱段的光谱，具有高光谱分辨率（0.6cm−1）和高空间分辨率（4km）。由EOS研制的对流层发射光谱仪（Tropospheric Emission Spectrometer，TES），是一个高分辨率红外成像傅里叶变换光谱仪，主要用于对流层大气探测。TES覆盖的谱段范围为650～3050cm−1 （3.3～15.4μm），光谱分辨率为0.1cm−1（天底观察），或0.025cm−1（边缘观察）。

遥感光谱成像技术就是利用超多波段遥感图像与高光谱分辨率光谱合二为一的特点，研究地球表层物质，识别其类型并鉴别物质成分，分析其存在状态、变化动态的新技术。它的理论基础就是地物与电磁波的相互作用及其所形成的光谱辐射特性。遥感光谱成像技术所研究的光谱波长范围包括可见光（Visible Light，VIS）、近红外（Near-Infrared，NIR）、短波红外（Shortwave Infrared，SWIR）以及中-热红外（Middle Infrared-Thermal Infrared，MIR-TIR）波段（5.0～14.00μm）。

在可见光、近红外以及短波红外波段，地物以反射太阳的能量为主，除了固体岩矿物质具有明显的特征谱带之外，水体、冰雪、植被及土壤等物质也都具有可诊断性识别的特征谱。

在热红外波段，一些特征吸收带与岩石、矿物及土壤中所含硅酸盐或碳酸盐的成分有直接关系。随着岩石中碳酸盐比例的增加，其吸收峰向长波方向移动；而硅酸盐的比例增高时，其吸收峰的位置向短波方向移动。这些光谱特征都可作为物质识别的判据。

高光谱遥感在地质制图、植被调查、海洋遥感、农业遥感、大气研究、环境监测及军事侦察、军事测绘等相关领域具有巨大的应用价值和广阔的发展前景。

D. Manolakis总结了高光谱成像遥感在不同波段的应用，如图1.6所示。

图1.6　高光谱成像遥感在不同波段的应用

高光谱成像遥感技术的特点如下。

（1）图谱合一，即可提供空间域信息，同时可获得光谱域信息。高光谱遥感还可以提供探测目标反射、辐射能量的信息。不同时间对同一目标的探测可获得目标的时相信息。空间、光谱、辐射、时间等多域信息的融合能力，正是遥感高光谱成像技术得以迅速发展的优势。

（2）高光谱分辨率。高光谱成像仪光谱分辨率高，一般为10nm左右，更高的可以达到nm级。探测光谱的高光谱分辨率能够反映地物光谱的细微特征，为地物或地物成分的遥感识别奠定了基础。例如在地物波谱中，地表物质在0.4～2.5μm光谱范围内均有可以作为识别标志的光谱吸收带，带宽为20～40nm。光谱分辨率高于这个水平的高光谱遥感才能够识别这些地表物质的成分。用于大气研究的高光谱遥感器的光谱分辨率更高，例如我国风云四号A星（FY-4A）干涉式大气垂直探测仪，工作波段为700～1130cm−1（长波）和1650～2250cm−1（中波），配置912个光谱探测通道，光谱分辨率为0.8cm−1。

（3）光谱波段多。与传统的多光谱遥感相比，高光谱遥感在电磁波谱的紫外线（简称紫外）、可见光、近红外及短波红外区域，可以获取许多精细且光谱连续的光谱图像数据，谱段数达到数十、数百甚至上千个，为探测目标提供了完整而连续的光谱曲线。不同地表物质的反射光谱和吸收光谱的光谱特征和形态是千差万别的，只有获得它们的精细、连续光谱，才能更好地进行识别和比对。因此高光谱分辨率、更多的光谱波段数是高光谱遥感的又一优势。

（4）信息冗余度增加。由于相邻波段的相关性强，信息冗余度增加。

（5）数据量大。由于光谱分辨率高、波段多、信息冗余度增加等，数据量相当大。

1.1.3　高光谱遥感的发展

20世纪80年代国际遥感技术发展最具标志性的成果就是光谱成像仪的产生，这个成果大大提升了人类地物观测、大气研究乃至太空探测的能力。自从1983年美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）研制第一台航空成像光谱仪（Aerial Imaging Spectrometer-1，AIS-1）以来，对光谱成像的研究日趋活跃，有许多国家相继研制出各种光谱成像仪，其中，日本、澳大利亚、加拿大等国家投入力量较大、实力较强。

几十年来，光谱成像仪的搭载平台也从飞机发展到卫星和太空船。在光谱成像的技术指标方面，谱段数不断提高，从几个谱段的多光谱发展到几十、上百甚至上千个谱段的高光谱。光谱成像仪的光谱分辨率逐步提高，从μm量级发展到nm量级，甚至达到10−3λ量级。成像的空间分辨率从km量级发展到dm量级。由于光学仪器、探测器件、电子技术的快速发展，利用新型成像分光原理的光谱成像仪也不断涌现，技术日趋成熟并逐步走向商业化。目前全世界正在业务运行的各种类型的光谱成像仪约有几十台/套。高光谱遥感技术将成为光电遥感最主要的手段，也是当今及今后几十年内遥感领域的前沿技术。

我国光谱成像技术的研究工作始于20世纪90年代，高光谱遥感技术的发展与国际基本同步，在国家和省部级科研项目的支持下，紧跟国际前沿技术迅速发展。我国在光谱成像技术的研究方面已跻身国际先进行列，解决了高光谱遥感信息机理、图像处理和多学科应用等方面的多项世界性难题，实现了在农业、地矿、环境、文物保护等多领域的成功应用，产生了显著的社会效益和经济效益。

我国光谱成像仪的主要研究单位有中科院西安光机所、中科院上海技术物理研究所、中科院长春光学精密机械与物理研究所（简称长春光机所）、原中科院光电研究院、中科院安徽光机所、北京空间机电研究所等。经过几十年的发展，我国在高光谱成像技术研究方面的科研队伍已具有一定的研究基础，已将高光谱成像仪载荷运用到载人航天、月球探测、高分专项、环境和海洋遥感卫星等重大工程项目中，已获得大量中、高分辨率的高光谱遥感数据，产生了一批高质量的应用数据产品，服务于国民经济和国防建设。

一、航空光谱成像仪

机载光谱成像仪自20世纪70年代开始发展，技术日臻成熟，已进入商业运行阶段，国际上具有代表性的有加拿大的CASI、芬兰的AISA系统。中科院上海技术物理研究所于1997年开始在“863计划”下研制成功了系列化、实用型机载128波段、可见-近红外/短波红外/热红外模块化成像光谱仪（OMIS）和机载244波段可见-近红外推扫式高光谱成像仪（PHI）。

（1）美国在高光谱遥感领域远远领先于世界其他国家。从20世纪80年代以来，美国已经成功研制出了3代高光谱成像仪。1983年，AIS-1获取了第一幅机载高光谱分辨率图像，标志着第一代高光谱分辨率传感器面世。美国国家航空和航天管理局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的下属机构JPL设计的第一代高光谱成像仪（AIS）共有两种，分别是AIS-1（1982—1985年，128波段）和AIS-2（1985—1987年，128波段），其光谱覆盖范围为1.2～2.4μm。第一代高光谱成像仪的成功应用具有开创性的意义，极大地推动了高光谱遥感技术的发展和应用。

（2）第二代高光谱成像仪以航空机载可见光/红外光成像光谱仪（Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer，AVIRIS）为代表。AVIRIS是NASA JPL于1987年研制成功的。从AIS-1的32个连续波段，到AVIRIS的224个波段、10nm带宽，光谱分辨率在不断提高，AVIRIS是首次测量全反射波长范围（0.4～2.5μm）的光谱成像仪。

（3）与此同时，日本、澳大利亚、加拿大等国家也投入了机载高光谱成像仪的研制。加拿大先后研制成功了机载FLI/PML（1984—1990年，288波段）、CASI（1989年，288波段以内）以及SFSI（1993年，122波段）等几种光谱成像仪。澳大利亚研制了Geosan MarkII（1985年，64波段）高光谱成像仪。

（4）美国地球物理环境研究公司（GER）研制了一台主要用于环境监测和地质研究工作的、64通道的高光谱分辨率扫描仪（GERIS）。该高光谱分辨率扫描仪的通道中，第64通道用来存储航空陀螺信息，其他63个通道均为高光谱分辨率扫描仪所用。

（5）1996年美国华盛顿大学研制了机载双折射干涉型光谱成像仪DASI，分别有可见光和短波红外两种工作波段，光谱范围分别为0.4～1.0μm和1.2～2.2μm。

（6）中国科学院上海技术物理研究所研制了模块化的OMIS成像光谱仪（1991年），光谱范围为0.4～12.5μm，128通道。其中0.4～1.1μm有64通道，1.1～2.0μm有16通道，2.0～2.5μm有32通道，3.0～5.0μm有8通道，8.0～12.5μm有8通道；采用了挥扫工作模式，可视视场角为80°，瞬时视场角为3mrad。

（7）中科院上海技术物理研究所于1997年研制了244波段的机载推扫式高光谱成像仪（PHI），光谱范围为0.4～0.85μm，光谱分辨率优于5nm。中国的OMIS和PHI代表了亚洲航空光谱成像仪的水平，并多次参与同国外遥感器的合作，到国外执行飞行任务。

（8）无人机载高光谱成像仪（Unmanned Aerial Vehicle Based Hyperspectral Imaging System）。此系统可以从多光谱相机、数字相机和全球定位系统（Global Positioning System，GPS）获得全部光谱范围的数据，具有机动性强、重量轻、成本低的优势，可以更好地适应频繁的环境监测任务。在自然灾害监测、探测、评估方面，它具有高空间、光谱、时间分辨率的优势。无人机遥感系统已经迅速成为研究的主流。为了加速无人机载高光谱成像仪的发展，需要覆盖全光谱范围的光谱仪，并将高光谱图像获取和处理系统组合到其中。

二、航天光谱成像仪

国外的高光谱遥感技术发展较早，空间运行的遥感高光谱成像仪也较多。

（1）1999年12月，NASA EOS系统的AM-1卫星发射升空，其Terra平台携带的第一台星载中等分辨率成像光谱仪（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）成功实现在轨运行。MODIS有36个光谱通道，覆盖0.459～14.38μm的光谱范围，空间分辨率有3种：250m、500m、1km，最佳光谱分辨率达到10nm。2002年5月，EOS-PM1卫星发射，还装载了一台MODIS。

（2）2000年7月美国空军研究实验室发射的强力小卫星MightySat II.1号搭载的干涉型高光谱成像仪，是世界上第一台真正成功用于航天遥感的高分辨率光谱成像仪。FTHSI是基于Sagnac干涉仪的空间调制干涉型光谱成像仪，光谱范围为350～1050nm，光谱分辨率为2.7～10nm，共有256个通道，空间分辨率为30m，视场角为15°，其重量却仅为35kg。仪器表现出了极强的稳定性、极高的辐射灵敏度和光谱测量精度。其入轨后的工作被美国空间机构评价为近乎完美。

空间调制傅里叶变换光谱成像技术在短短8年左右时间里，走过了原理研究、地面装置试验、机载飞行试验及卫星发射成功全过程。代表性空间调制傅里叶变换光谱成像仪如表1.1所示。

（3）NASA空间飞行中心2000年12月发射的EO-1卫星搭载的Hyperion高光谱成像仪，是新一代航天光谱成像仪的代表，空间分辨率为30m，光谱范围为0.40～2.50μm，谱段数为220，其中在可见-近红外（400～1000nm）范围有60个波段，在短波红外（900～2500nm）范围有160个波段。该高光谱成像仪可以提供经过定标的高质量图像数据，用于进行高光谱对地观测技术的评估，因此也成为高光谱遥感应用和传感器比对的数据来源。

在EO-1卫星上还有一个大气校正仪（Leisa Atmospheric Corrector，LAC），具有256个谱段，光谱范围为890～1600nm，其主要功能是对星上的成像仪遥感数据进行水汽（H₂O）校正，其1380nm光谱段也能获得卷云的信息。

（4）2000年美国在海军地球测绘观测者（NEMO）卫星上搭载了高性能高光谱成像仪COIS，采用像移补偿棱镜，可以实现较高的空间分辨率，地面分辨率为30m（补偿方式）/60m（非补偿），刈幅宽度为30km，光谱范围为0.4～2.5μm，具有210个通道，光谱分辨率为10nm。主光学系统采用离轴三反系统，光谱仪系统采用Offner光栅分光的方式实现光谱分光。

（5）2001年10月欧洲航天局发射的星上自主项目（Project for On-Board Autonomy，PROBA）卫星上搭载了欧洲第一台星载高光谱成像仪CHRIS，光谱范围为400～1050nm，在成像范围内有谱段数、光谱分辨率、空间分辨率不同的5种工作模式，谱段数分别为18、37和62，光谱分辨率为5～15nm，空间分辨率为17～20m或者34～40m。CHRIS有一个突出的优点，能够从5个不同的角度（观测模式）对地物进行观测，可以获得地物的方向性特征。该载荷设计寿命为1年，实际在轨工作时间大于9年。

（6）2002年3月欧洲航天局发射的Envisat卫星搭载的中分辨率光谱成像仪（Medium Resolution Imaging Spectrometer，MERIS），在可见-近红外光谱区内有15个波段，地面分辨率为300m。但MERIS可通过程序控制选择和改变光谱段的布局，实现了星上探测波段和光谱分辨率的选择，可以达到576个通道，最高光谱分辨率为1.8nm，光谱位置精度为1nm，采用5台14°视场光谱成像仪拼接，地面刈幅宽度达到230km（视场角68.5°），地面分辨率为300m。

（7）2002年12月日本发射了ADEOS-2，其携带的GLI光谱成像仪主要用于海洋、陆地观测，在可见-近红外区有23个波段，在短波红外区有6个波段，在中红外和热红外区有7个波段。GLI的优点是比其他海洋水色遥感器和大气观测遥感器在可见光区域波段多，且具有海洋水色观测所需的大气定标波段及陆地观测所需的高动态范围波段，还有此前没有的近紫外（0.38μm）、氧气（O₂）吸收（0.76μm）、水汽吸收（1.4μm）波段。

（8）澳大利亚在2005年运行的高光谱遥感卫星ARIES-1，空间分辨率为30m，光谱范围为0.4～2.5μm，有220个谱段，其中在可见-近红外区（0.4～1.0μm）内有60个谱段，在短波红外区内（0.9～2.5μm）有160个谱段，在短波红外区有较高的分辨率。

（9）CNES研制了干涉型红外大气探测仪（Infrared Atmospheric Sounding Interferometer，IASI），它搭载在欧洲第一颗极轨卫星METOP-A上，于2006年10月19日成功发射。IASI的干涉仪采用角立方体的Michelson干涉仪，动镜的直线运动产生2cm的光程差，以获得精细的光谱分辨率。IASI被分为3个波段，645～1190cm−1、1190～2000cm−1、2000～2760cm−1，分别成像在3个焦平面探测器上。IASI的谱段范围为3.62～15.5μm，具有8461个通道，光谱分辨率为0.5cm−1，视场角为48°20′。IASI的干涉图通过星载数字信号处理子系统，完成图像数字化、逆傅里叶变换和辐射度定标，每8s，通过观测内部热黑体和深冷空间完成定标。IASI的数据产品可用于大气、海洋、云和大气成分等的反演，同时还可提供晴空条件下地表发射率和海洋表面温度资料。

（10）德国的MIPAS（Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding）、日本的SOFIS（Solar Occultation FTS for Inclined-orbit Satellite）等也都是目前国际上具有代表性的干涉型光谱成像仪。

（11）2009年美国发射的Tacsat-3卫星上搭载的高分辨率光谱成像仪Artemis将空间分辨率提高到4m，光谱范围为0.4～2.5μm，谱段数为200，其任务的重点是验证高分辨率高光谱成像仪在战场指挥决策中提供实时、精准的战术信息的能力。Artemis标志着星载光谱成像仪遥感进入米级空间分辨率时代。

（12）2005年8月发射的火星勘测卫星轨道飞行器（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO）上携带的火星勘测成像光谱仪（Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars，CRISM），是色散光谱仪，光谱范围从紫外383nm到中波红外3960nm，视场为2.12°。光射入CRISM后被分为两个光束，紫外、可见、近红外（383～1071nm）和红外（988～3960nm），光谱采样间隔每通道6.55nm，瞬时视场角为60μrad，高度300km的空间脚印为18m/每像元，刈幅宽度11km（穿轨）× 20km（沿轨），扫描范围为±60°（沿轨）。

（13）德国宇航中心在2006年年初通过了EnMAP（Environmental Mapping and Analysis Program）的研制计划。它主要用于对植被分布、土壤分类及水资源等领域的监测，轨道高度为643km。

EnMAP的光谱范围为0.42～2.45μm，谱段数为227个（420～1000nm有93个通道，900～2450nm有134个通道），光谱分辨率在0.5～0.85μm波段为5nm，在其余波段为10nm，空间分辨率为30m，幅宽为30km，SNR在0.5～0.85μm波段大于500，在0.85～2.45μm波段大于150。

探测器在0.5～0.85μm波段采用电荷耦合元件（Charge-Coupled Device，CCD），在0.85～2.45μm波段采用碲镉汞（Mercury Cadmium Telluride，MCT）探测器，制冷温度为120K。

EnMAP采用棱镜色散分光和面阵推扫成像方式，帧频为230Hz。主光学系统采用离轴三反镜头，后端布置两个棱镜光谱仪，分别对可见光谱段、近红外-短波红外谱段进行成像。棱镜光谱仪采用Offner结构形式，对透过一次焦面上狭缝的像进行视场分光。星上定标手段包括太阳漫射板定标、内定标灯定标和光谱积分球定标，实现绝对和相对辐射定标、光谱定标、探测器暗电流和响应非均匀性定标等。

（14）此外，许多具有高空间分辨率和高光谱分辨率的光谱成像仪正在或即将进入实用阶段，例如，美国的高光谱数字图像收集实验仪器（Hyperspectral Digital Imagery Collection Experiment，HYDICE）、SEBAS，加拿大的FLI、CASI和SFSI，德国的ROSIS及澳大利亚的HYMAP等。这些传感器有的已经进入了商业运营阶段，技术比较成熟。特别是美国的HYDICE和AVIRIS多次参与军方的试验，提供了大量的军事应用的第一手资料。

（15）目前，国内外已经开发了一些高光谱图像处理、分析的软件，如美国JPL和USGS开发的SPAM、SIS、ENV I软件，加拿大的PCI软件中的高光谱分析模块，以及中科院遥感与数字地球研究所开发的高光谱图像处理分析系统（Hyperspectral Image Processing and Analysic System，HIPAS）和中国地质调查局自然资源航空物探遥感中心开发的成像光谱数据处理系统（Imaging Spectrum Data Processing System，ISDPS）。

我国从“七五”计划期间开始光谱成像仪的研制，紧跟国际前沿技术迅速发展，至今已取得了很大的进展，在光谱成像仪研究方面已跻身国际先进行列。经过近几十年的发展，随着高光谱遥感图像-光谱变换、光谱信息提取以及光谱匹配和识别等技术的不断成熟，高光谱遥感已经得到了广泛的应用。至今，我国已有许多服务于多领域应用的遥感高光谱成像仪在太空中运行。

（16）中科院国家空间科学中心于2002年3月25日发射升空的“神舟三号”（SZ-3）太空飞船，把中科院上海技术物理研究所研制的中分辨率光谱成像仪CMODIS带入太空。CMODIS的光谱范围为0.4～12.5μm，光谱通道为34个，空间分辨率可达500m。这是人类第二次将中分辨率光谱成像仪送上太空，我国也因此成为世界上第3个拥有星载光谱成像仪的国家。

（17）中科院西安光机所研制的光谱成像仪IIM搭载在嫦娥一号（CE-1）卫星上，于2007年10月24日发射升入太空，落在月球上。IIM的光谱范围为480～960nm，谱段有32个。

IIM在2009年3月1日结束了它的使命，在495天的寿命中采集了大量的月球高光谱数据，这些数据向全世界展示了月球高空间分辨率的图像。

（18）中科院西安光机所研制的高光谱成像仪HSI，搭载在环境与灾害监测预报小卫星（即环境卫星）HJ-1A上，于2008年9月6日发射成功，升入太空。HSI的光谱范围为0.4～0.9μm，拥有115个探测谱段，平均光谱分辨率为5nm。HSI是我国第一台对地观测星载高光谱成像仪，是国内采用静态干涉型光谱成像技术研制而成的，是继美国强力小卫星后，第二台运用该技术的相机，也是世界上第一个用于业务卫星的空间调制型干涉光谱成像仪。目前它已在轨运行超过10年，获取了海量数据。

（19）FY-2卫星是我国在轨业务运行的第一代静止气象卫星，迄今为止，已成功发射了6颗，在轨后分别命名为FY-2A、FY-2B、……、FY-2F。FY-2卫星采用自旋稳定工作方式，星上主要气象探测仪器——可见红外自旋扫描辐射计（Visible and Infrared Spin Scan Radiometer，VISSR），具备从可见光到热红外的多波段探测能力。表1.2介绍了FY-2卫星VISSR的主要性能指标。

注：*代表FY-2F及其后续星中，VIS波段范围高端调整为0.75μm。星上主要气象探测仪器VISSR分两代产品，第一代产品搭载于FY-2A、FY-2B卫星上，第二代产品搭载于FY-2C、FY-2D、FY-2E、FY-2F卫星上。

（20）FY-3是中国第二代极轨气象卫星，FY-3A卫星于2008年5月27日发射入轨，FY-3B卫星于2010年11月5日发射入轨。其上搭载的MERSI为最新一代光谱成像仪。MERSI和可见光红外扫描辐射计VIRR是FY-3上最主要的两个多光谱成像载荷。

MERSI由中科院上海技术物理研究所研制。搭载于前3颗FY-3系列卫星上的第一代MERSI传感器，共有20个通道，其中19个为太阳反射通道（0.4～2.1μm），1个为红外发射通道（10～12.5μm）。每次扫描提供2900km（跨轨）×10km（沿轨，星下点）刈幅带，实现每日对全球覆盖。它采用多探元（10或40个）并扫，其星下点地面瞬时视场为250m或1000m。它有5个通道，星下分辨率为250m，其余15个通道的空间分辨率为1000m。MERSI采用分色片实现光谱分离，光谱域分成4个光谱区，即可见光（412～565nm）、近红外（650～1030nm）、短波红外（1640～2130nm）以及热红外（12250nm）。MERSI的星上可见光定标器用于监视太阳反射波段辐射响应的相对衰减趋势。

2017年11月15日，FY-3D发射成功，FY-3D搭载的中分辨率光谱成像仪与前几颗卫星相比有较大的改进，通道数从原来的20个增加到25个，新增250m分辨率红外分裂窗通道及其他多个红外和近红外通道，地表红外监测能力、云与气溶胶定量遥感能力均显著增强。

（21）2010年8月24日，测绘一号卫星01星的成功发射，标志着我国传输型立体测绘卫星实现了零的突破。时隔2年，测绘一号卫星02星圆满完成历时110天的在轨测试任务后，与01星一起首次实现测绘卫星的组网运行。测绘一号卫星装有5台相机、3台星敏感器、2台测量型GPS接收机，为中国自主研发的最复杂、功能密度最高的小卫星。其中搭载的多光谱相机包括4个工作谱段，即蓝谱段（0.43～0.52μm）、绿谱段（0.52～0.61μm）、红谱段（0.61～0.69μm）以及近红外谱段（0.76～0.90μm）。通过这些配置，能获取地面像元分辨率5m、幅宽60km的全色立体影像。高分辨率相机可以获取2m分辨率的全色地物影像。

（22）中科院长春光机所研制的棱镜分光高分辨率光谱成像仪CHRIS，于2011年9月29日搭载天宫一号（TG-1）卫星发射升空。CHRIS的光谱范围为0.4～2.5μm，可见-近红外通道（410～1030nm）中有66个有效波段，短波红外通道（930～2510nm）中有70个有效波段。其光谱分辨率为10nm，空间分辨率最高达10m，是2012年前国内技术指标最高的高光谱成像仪。

（23）遥感25（YG-25）是中国首颗具备高敏捷、亚米级成像能力的光学遥感卫星，于2014年12月发射，其主要目的是科学实验、国土资源普查、农作物估产及防灾减灾等。YG-25携带的传感器由8片CCD拼接组成，具备5个光谱谱段，其中全色波段的空间分辨率为0.5m，多光谱波段（蓝、绿、红、近红外）分辨率为2m。

遥感系列卫星搭载了多台套高光谱成像仪。至2015年11月8日成功发射了YG-28号卫星，中国遥感系列卫星已形成的网络服务平台，在促进航天科技研究、灾情核实、抗灾救助等方面发挥了重要作用。

（24）FY-4A于2016年12月11日成功发射，是我国第二代地球静止轨道（GEO）定量遥感气象卫星。FY-4A卫星在国际上首次实现地球静止轨道的大气高光谱垂直探测，可在垂直方向上对大气结构实现高精度定量探测，这是欧美第3代静止轨道单颗气象卫星无法实现的。干涉式大气垂直探测仪是以红外干涉探测三维大气垂直结构的精密遥感仪器，其核心部分是一个带有动镜的迈克尔逊干涉仪，工作波段为700～1130cm−1（长波）和1650～2250cm−1（中波），每个波段对应一个32×4像元的探测器。大气垂直探测仪配置有912个光谱探测通道，光谱分辨率为0.8cm−1。

（25）全球二氧化碳（CO₂）监测科学试验卫星（简称碳卫星）于2016年12月22日在酒泉卫星发射中心成功发射。卫星主载荷为高光谱、高空间分辨率CO₂探测仪（简称CO₂探测仪）与云和气溶胶偏振成像仪（Cloud and Aerosol Polarization Imager，CAPI）。

CO₂探测仪采用光栅衍射分光技术方案，用结构相似的3套光谱仪系统，分别对应3个谱段（O₂-A谱段：758～778nm，Weak CO₂谱段：1594～1624nm，Strong CO₂谱段：2041～2081nm），最高可达0.04nm的光谱分辨率。CO₂探测仪将空间维多个像元合并使用，采用约3Hz的帧频，实现2km×2km的地面分辨率。

在发射前的光谱定标系统中，采用旋转半积分球的方法，消除可调谐激光源的散斑效应，使用时间序列暗背景采集方案，精确校正MCT探测器背景的热漂移。

（26）2016年12月22日，我国在酒泉卫星发射中心成功将一颗超分辨率多光谱成像卫星和两颗高光谱成像卫星（SPARK01、SPARK02）组成的微纳组星发射升空。该组星运行轨道为700km的太阳同步轨道。中国科学院微小卫星创新研究院是这两颗新体制卫星的总体研制单位，超分辨率多光谱相机和高光谱成像仪由原中科院光电研究院承担研制。

SPARK卫星高光谱成像仪具有50m的地面分辨率，光谱范围覆盖可见光至近红外（420～1000nm），谱段数多达148个，平均光谱分辨率优于5nm，幅宽超过100km，采用双星协同合作，幅宽可达200km。SPARK卫星高光谱成像仪的突出特点是重量轻、成本低，重量仅为10kg，比国内外同等指标的高光谱成像仪重量轻至少；研制成本更是不到同类航天载荷的。

超分辨率多光谱相机首次采用计算光学成像方法设计，兼具20km大幅宽、1.4m高分辨率、20kg轻质量的优点，首次将计算方法融入系统设计过程，实现了全局最优化设计，提升了成像质量；首次实现全色/多光谱/视频复合成像，提升了信息获取能力；首次实现载荷与整星联合热控调焦，提升了调焦的灵活性和可靠性；首次采用数字超分辨方法实现2倍的成像分辨率提升，缩小了系统的体积和减轻了质量。

微纳组星可以为农业估产、林业调查、环境监测、灾害评估、土地规划、城市智能交通等领域提供数据服务，并带动卫星平台技术、光学成像技术、信息处理技术以及数据应用技术等方面的发展和变革。

（27）2018年5月9日2时28分，高分五号（GF-5）卫星在太原卫星发射中心成功发射升空。

GF-5卫星是我国高分辨率对地观测系统重大专项规划（简称“高分专项”）的唯一一颗陆地环境高光谱观测卫星，是实现高分专项“高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率”目标的重要环节，是实现我国高光谱分辨率对地观测能力的重要标志。GF-5卫星运行于高度为705km的太阳同步轨道，装载可见-短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪、大气主要温室气体监测仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪、大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪共6台有效载荷。该卫星的光谱分辨率高且谱段全，具备高光谱与多光谱对地成像、大气掩星与天底观测、大气多角度偏振探测、海洋耀斑观测等多种观测模式，可获取从紫外至长波红外（0.24～13.3μm）的高光谱分辨率遥感数据；辐射分辨率高，载荷的光谱分辨率最高达0.03cm−1，具备在轨定标功能，绝对辐射定标精度优于5%，光谱定标精度最高0.008cm−1；长波红外空间分辨率高；数据传输码速率高；可靠性高、寿命长。

2018年6月2日，高分六号（GF-6）卫星发射成功。GF-6卫星具备红边谱段的多光谱遥感技术，至此，高分专项继高分一号到高分五号之后，又迎来一位步入太空的新成员。

1.1.4　高光谱遥感的应用

高光谱遥感虽然只有短短二十几年的发展历史，但已受到了国内外广泛的关注，在民用和军用等很多领域发挥着越来越重要的作用。其在民用和军用方面的应用如下。

一、高光谱遥感在精细农业中的应用

土壤的水分含量、有机质含量、土壤粗糙度等特性是精细农业中的重要信息，而传统遥感技术无法提供这些信息。高光谱遥感凭借其极高的光谱分辨率，可以提供土壤特性的光谱，为精细农业的发展提供数据来源。利用高光谱遥感技术，可以快速精确地获取作物生长状态和生长环境的各种信息，从而相应调整投入物资的施入量，实现减少浪费、增加产量，达到保护农业资源和环境质量的目的。高光谱遥感是未来精准农业和农业可持续发展的重要手段。

二、高光谱遥感在地质调查中的应用

地质调查是高光谱遥感应用得最成功的一个领域，区域地质制图和矿产勘探是高光谱遥感技术主要的应用领域之一。

光谱成像图像具有光谱图像三维信息。我们可以在探测光谱上进行矿物成分信息展开，可以直接从高光谱数据中识别地表矿物成分、确定混合矿物成分的百分比，产生矿物成分分布图，可以进行地表裸露环境下的岩层填图。高光谱遥感在矿物识别与填图等方面有着广泛的应用价值。

三、高光谱遥感在城市研究中的应用

城市环境是人工环境与自然环境的综合体，人类的社会活动使得城市下垫面的组成成分复杂多样，光谱特性复杂，而且在自然界与人类活动的共同作用下，地表组成均质性较差。高光谱成像技术具有高光谱分辨率的特点，而且能用低空飞行获取高空间分辨率的图像。采用高分辨率的光谱成像数据，可以从物质组成成分上对城市进行土地覆盖分类，很好地满足城市用地和建筑物分类的需要，进而通过相关分析获得城市社会、经济活动的有关信息，还可以进行城市通信和交通线路的测量等。

四、高光谱遥感在植被生态学研究中的应用

植被生态学研究是高光谱遥感的另一个重要的应用领域。研究表明，叶片的基本生物物理化学成分，如叶片水分、叶绿素、木质素、淀粉等的含量与光谱吸收特征之间存在密切关系。高光谱遥感数据大大改善了对植被的识别和分类精度。

高光谱植被遥感包含了生态遥感所涉及的植被类型的识别、植物化学成分的估测、植物生态学评价、冠层水文状态与冠层生物化学性质的估计、植被制图、土地覆盖利用变化探测、生物物理和生物化学参数提取与估计等。

近年来植被冠层的生物物理化学信息的反演是高光谱植被遥感的研究热点之一，植被冠层的生物物理化学信息直接关系到植被的净生产力，它们对于描述和模拟生态系统的物质和能量循环，以及生态模拟输入均有重要意义。

五、高光谱遥感在沿海和内陆水域环境中的应用

由于高光谱遥感具有光谱覆盖范围广、分辨率高和波段多等特点，其已成为海洋水色、水温的有效探测工具。它不仅可以用于海水和江河湖泊中叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、污染物的探测和表层水温探测，也可用于水生环境状况探测、海洋生态研究、海水深度测量，以及海冰、海岸带的探测等。

六、高光谱遥感在大气遥感中的应用

大气中的分子和粒子成分在太阳反射光谱中有强烈反应，这些成分包括H₂O、CO₂、O₂、云和气溶胶等。利用高光谱遥感，可以进行大气光学性质的测量、大气气溶胶的分类、水蒸气的测量和分析等。通过这些研究，可以进一步进行全球天气状况和气候变化等的分析和监测。

七、高光谱遥感在环境遥感中的应用

高光谱遥感通过对矿物、土壤、植被等的监测研究，被广泛用于自然灾难环境的监测和预报、农林探测及林业遥感等环境遥感中。利用高空间分辨率和高光谱分辨率的数据，结合光谱识别技术，还可进行城市环境的监测、火灾危险区的测量、地质灾害测量等。

八、高光谱遥感在军事方面的应用

1．目标识别和分析

高光谱成像仪可以获得各种景物目标的精细光谱，从而可以进行目标的识别与目标特性的确定和分析，还可以进行旱地、沼泽等战场类型的探测，用于军事侦察、目标分析等。

2．目标监测和去伪装

利用图像和光谱信息分析光学和物理模型，可获得目标的动态特性，准确地探测目标的变化过程和区域。通过光谱信息分析，还可以进行目标的去伪装、识别等。

3．武器生产调查

通过采集炮弹烟雾、工厂生产过程中产生的烟雾等，分析其光谱特征，从而确定生产弹药的性质等，可对武器生产情况进行调查，如生产何种弹药、是否含生态武器等。

4．作战情况观测和打击效果评价

通过观察和分析目标的光谱曲线，可以对战场的人力分布、武器部署及所用武器装备类型等进行确定，从而进行相应的作战准备。通过观测战场的光谱变化，可获得大规模战争的情况和变化信息，进行打击效果的评价。

美国在高光谱遥感的军事应用方面的研究开展得较早。美国海军研究实验室（United States Navel Research Laboratory，NRL）在1991年主持开发了高光谱数字图像收集实验仪，它是一种机载的推扫式高光谱仪，分别在1995年、1999年进行了多次飞行试验。后期数据分析结果表明：高光谱图像识别伪装的能力较强，可以分辨出绿色植被（自然草地）背景下的真实目标和诱饵目标（假目标）；在沙漠背景下可以快速地检测出战术小目标（军用车辆和导弹发射架等）。高光谱数字项目主要研究高光谱图像实时地、自动地检测地面军事目标的能力，为将来搭载在无人机上进行战场侦察提供数据处理方面的支持。关键的数据处理系统有：传感器接口计算机，其主要工作是对数据进行预处理，如几何校正、图像配准以及数据降维等；数据处理计算机，其主要工作是利用RX算法进行高光谱图像异常检测，这两部分都是在无人机上完成的。处理后的数据传输到地面后由地面工作站计算机进行显示。系统在试飞后对数据处理的结果表明：通过结合高分辨率全色图像，高光谱图像能为战略级的侦察提供良好的辅助，特别是在对战术目标自动、实时的检测方面为战略级侦察提供较好的帮助。

2000年5月，NRL利用低光能高光谱成像仪进行了飞行试验，这一试验为美军的两栖作战提供了帮助。试验表明，高光谱图像能为战场指挥官提供如登陆点选择、障碍物识别、地表特征识别、水下障碍物判断、地表对机动部队和火力的影响，以及敌军力量分布等情报。

在天基侦察方面，由美国军方支持，1996年制订了综合空间技术展示计划（Integrated Space Technology Demonstration，ISTD），利用星载高光谱系统和地面控制系统进行军事侦察和战场指挥。当卫星移动到战场上方时，地面移动控制系统将通知战场指挥官，并控制卫星，提供图像数据。一旦收集到数据，它将被传输到地面控制系统进行分析。当发现数据中有光谱匹配的目标时，系统将把此目标和其相关的几何信息传输到指挥、控制、通信、计算机及情报（Command，Control，Communication，Computer and Intelligence，C4I）网络上。战场中的指挥官和士兵就能通过便携式终端及时看到整个战场上的情况。该系统还可以对其他有意义的目标进行自动提示。在战场外，对卫星的跟踪、测绘和控制是在固定地面站完成的，这其中涉及了数据压缩、自动目标提示等处理技术。

1.1.5　光谱成像仪的分类

一、空间成像方式类型

光谱成像仪的空间成像方式可划分为凝视（Staring）、摆扫（Whiskbroom）和推扫（Pushbroom）3种类型。

凝视型光谱成像仪每次通过地面瞬时视场获得目标的二维图像信息和一维光谱信息，目标的二维视场与二维面阵探测器（Array Detector）相对应。凝视系统对目标的响应时间决定于探测器对信号的响应时间，不受扫描速度的影响，因此提高了系统的响应灵敏度。图1.7为遥感相机凝视成像示意。

图1.7　遥感相机凝视成像示意

凝视型光谱成像仪可以采用声光可调谐滤波器、液晶光阀、可变滤光片等实现分光。对于具有运动平台的凝视型光谱成像仪，空间维（Spatial Dimension）与光谱维（Spectral Dimension）的图像信息不是同时获得的。例如采用楔形滤光片分光的光谱成像仪，需要通过运动平台的运动扫描，经过复杂的后处理才能得到同一目标在不同波段的信息，并得到二维目标的光谱图像。凝视型光谱成像仪结构简单、体积小、功耗低、响应灵敏度高，但空间分辨率和光谱通道数受限。

摆扫型光谱成像仪每次通过瞬时视场，就获得一个地面分辨单元的一维光谱信息，利用摆扫镜（Rotating Scan Mirror）的左右摆扫完成一维空间（穿轨方向）成像，同时利用飞行平台的向前运动完成另一维（沿轨方向）空间信息的获取。在摆扫光谱成像仪中，电机（Electric Motor）带动有45°斜面的扫描镜进行360°旋转，其旋转轴与遥感平台前进方向平行，扫描运动方向（Cross-track Scanning）与遥感平台运动方向垂直，其成像方式如图1.8所示。

图1.8　摆扫型成像光谱仪成像方式

摆扫型光谱成像仪的光学分光系统多采用光栅和棱镜分光，分光系统在望远成像系统后面，对瞬时视场物元的光辐射进行分光，并成像于线阵探测器上，形成该物元的一维光谱。

摆扫型光谱成像仪的优点在于可以得到很大的总视场（视场角可达90o），像元配准较好，不同波段任何时候都凝视同一像元；每个波段只有一个探测元件需要定标，增强了数据的稳定性；由于进入物镜后再分光，一台仪器的波段范围可以很宽，可以从可见光一直到热红外波段。所以目前波段全、实用性强的光谱成像仪多属此类，如美国JPL的AVIRIS系统和美国GER公司的GERIS系统。其不足之处是，由于利用电机扫描，每个像元的凝视时间相对很短，要进一步提高光谱分辨率、空间分辨率以及信噪比比较困难。

推扫型光谱成像仪每次通过瞬时视场仅能获得一维空间信息（穿轨方向）和一维光谱信息（沿轨方向），必须利用飞行平台沿轨方向的扫描，完成另一维空间信息的获取，得到三维的数据立方体。

推扫型光谱成像仪采用面阵探测器，其垂直于运动的方向在飞行平台向前运动中完成二维空间扫描，其成像方式如图1.9所示。在瞬时视场中，与一维物元对应的一维空间图像，由于光栅和棱镜（或干涉仪）的分光，形成每个物元的一维光谱，光谱维与空间维垂直。当平台运动时，可以完成每个空间像元的光谱维扫描，图1.10所示为推扫型光谱成像仪的光谱获取方式。

图1.9　推扫型成像光谱仪成像方式

图1.10　推扫型光谱成像仪的光谱获取方式

推扫型光谱成像仪的优点是像元的凝视时间大大增加了，因为它只取决于平台运动的地速，相对于摆扫型光谱成像仪，其凝视时间增加量可以达到103数量级。如前文所述，凝视时间的增加可以大大提高系统的灵敏度和信噪比，从而使系统的空间分辨率和光谱分辨率方面有更大的提高余地。另外由于没有光机扫描运动机构，仪器的体积相对比较小，如中科院上海技术物理研究所的推扫型成像光谱仪PHI、加拿大的CASI，它们的波长范围均为可见光到近红外。而美国原定为EOS研制的HIRIS（High Resolution Imaging Spectrometer）和HYDICE同样采用推扫方式，但波长范围从可见光延伸到了短波红外（0.4～2.5μm）。

推扫型光谱成像仪的不足之处是，由于探测器器件尺寸和光学设计的困难，总视场角不可能很大，一般只能达到30o左右。另外，面阵探测器的上万个探测元件的标定也很困难。

二、光谱成像方式类型

根据分光原理的不同，光谱成像仪可分为色散型，如棱镜色散型（Prism）、光栅衍射型（Grating）、滤光片型（Filter）和干涉型（Interferometer），此外还有计算层析型、二元光学元件型、三维成像型光谱成像仪。下面重点介绍已经成熟应用于航空、星载遥感的光谱成像仪。

1．色散型光谱成像仪

（1）棱镜色散型光谱成像仪的分光元件为色散棱镜，光学系统的入射狭缝位于准直系统的前焦面上，入射光准直后经棱镜色散，再经汇聚成像后按波长顺序成像于探测器的相应位置。

棱镜分光存在色散非均匀的问题。宽谱光源经棱镜色散后，出射光各谱线的角距离不成正比，色散是非均匀的。棱镜色散光谱中，紫光展开的范围比红光展开的范围大。此外，为了加大角色散，需加大棱镜顶角，使入射角增大，这会增加光线的反射损失。由于棱镜的三角形截面，通过底边的光学路径较长，吸收损失较大，因此红外波段一般不用棱镜分光。

棱镜色散型光谱成像仪的入射光经狭缝入射，狭缝长度决定了空间线视场。采用棱镜分光时，长狭缝会造成谱线弯曲，造成空间信息和光谱信息的混杂，且波长越短弯曲越严重。

棱镜色散型光谱成像仪的典型代表有NRL的高光谱数字图像收集仪HYDICE，日本ALOS卫星上搭载的全色遥感立体测绘仪（Panchromatic Remote-sensing Instrument for Stereo Mapping，PRISM）、欧洲航天局研制的机载光谱成像仪APEX。

（2）光栅衍射型光谱成像仪的分光元件为衍射光栅。与棱镜色散型光谱成像仪相似，光栅衍射型光谱成像仪光学系统的入射狭缝位于准直系统的前焦面上，入射光准直后经光栅衍射分光，再经汇聚成像后按波长顺序成像于探测器的相应位置。

基于光栅分光的推扫型成像光谱仪，物镜将一行地物目标成像在狭缝上，与狭缝对应的探测器阵列做像方固体自扫描，完成一维空间扫描。该狭缝也是光谱仪的入射狭缝，入射光色散后经过汇聚镜，到达焦面上面阵探测器的另一维，完成光谱扫描。这种像方探测器自扫描系统中没有光机扫描的运动器件，而且以凝视方式工作，增加了像元滞留时间，有利于提高系统的信噪比和光谱分辨率。光栅式分光计的分辨本领RO与它们的入射狭缝宽度有关，狭缝越宽，则分辨本领越低，但能进入分光计的辐通量E越多，越需要对RO与E做权衡处理。

实用光栅通常具有每毫米几百条以至上千条刻线，即光栅常数d很小，因此光栅具有很好的色散本领，这一特性使光栅光谱仪成为一种优良的光谱分光仪器。光栅的角色散是常数，衍射光谱线间的角距离与波长差成正比，光谱在所有波长范围均匀展开，这是光栅分光优于棱镜分光的特点之一。

光栅可以分为平面闪耀光栅、透射光栅、凹面光栅、凸面光栅等几种。它们在机载设备中均已有所应用，在星载设备中，早期Lewis的HSI采用凹面光栅，ARIES、LAC、Hyperion、COIS均采用基于凸面光栅的Offner光谱仪。我国上海技术物理研究所研制的机载模块光谱成像仪OMIS就是光栅衍射型光谱成像仪。

2．滤光片型光谱成像仪

滤光片型光谱成像仪的分光元件为多种形式的滤光片。

传统使用的滤光片主要有楔形滤光片和线性可变滤光片。新型的电控可调谐滤光片有液晶可调谐和声光可调谐滤光片。

（1）光楔光谱成像仪和风场光谱成像仪-湿度探测器（WISH）采用的是楔形滤光片，是美国雷神公司和威斯康星大学联合研制的。楔形滤光片成像探测器技术在1990年提出并获得专利，可以提供需要的湿度图像，并已经应用于地球同步轨道卫星。使用光楔光谱成像仪（Wedge-filter Imaging Spectrometer，WIS），可以采集地球的辐射，具有2km空间分辨率、1%的光谱分辨率，覆盖宽红外光谱范围710～2900cm−1。光楔成像光谱仪结构紧凑、重量轻，图像粗糙，但具有较高的灵敏度、光谱分辨率、空间分辨率。

如图1.11所示，光楔成像光谱仪是一个基于杂混传感器芯片的集合体，在基片上集成了多层楔形干涉滤光片和具有读出电路的探测器阵列（Detector Array）。光谱维平行于滤光片锥度方向，锥角的薄边区传输短波，锥角厚边区传输长波。在探测器平面上，空间维与光谱维垂直。整个光锥由不同顶角的光楔组成，入射光线由于不同波长具有不同的相位延迟和偏转角，分离成不同的波段。使用截止滤光片（Blocking Filter）减少滤光片交叉部分的带外响应。

图1.11　光楔成像光谱仪原理

面阵探测器的一维随飞机的前向运动完成空间扫描（推扫），另一维则因光楔的位置不同所以接收的波长不同，从而完成在光谱维的扫描。光楔分光部件结构紧凑，因此光谱成像仪光学系统也较简单。相对于其他类型的光谱成像仪，光楔光谱成像仪容易实现牢固的设计机构和简单的装配，减少了装配和测试的时间，可以降低仪器的成本。图1.12为光楔成像光谱仪光学系统示意。

图1.12　光楔成像光谱仪光学系统示意

光楔光谱成像仪具有重量轻、数据获取技术简单的优点，但是不能同一时间采集每一幅光谱图像中的所有行，因此数据处理困难，影响了光楔光谱成像仪的实用化发展。

（2）线性可变滤光片成像光谱仪。线性可变滤光片是指一种集成阶跃干涉滤光片，可用作光谱分光器件。以此分光器件建成的光谱成像仪体积小、重量轻，可靠性和稳定性高。

干涉滤光片是以多光束干涉的原理、运用镀膜技术制成的滤光片，可以从连续光谱中选择透过窄带宽的单色光，其膜层的材料、厚度、反射率决定了选择透过的中心波长和透光率。

欧洲航天局研制了使用线性可变滤光片的光谱成像仪。线性可变滤光片的膜层镀制在CCD探测器的石英保护玻璃上，膜层区域按照参考标记与探测器阵列相对应。镀膜区域的一个方向膜层是均匀的，另一个方向（光谱方向）膜层具有不同厚度的梯度，从而可以输出不同波长的光谱，如图1.13所示。

图1.13　电路试验面板扫描方向和滤光片光谱梯度方向之间的关系示意

光谱方向的膜层呈等间隔阶梯分布，使得线性可变滤光片的出射光谱波长成为位置的线性函数，现制作的膜层厚度梯度达到250nm/mm。图1.14显示了线性可变滤光片的输出光谱曲线［见图1.14（a）］和输出波长与位置关系曲线［见图1.14（b）］。

图1.14　线性可变滤光片的输出光谱曲线和输出波长与位置关系曲线

美国OKSI公司与JPL联合开发的热红外光谱成像仪（TIRIS），使用线性可变滤光片做分光组件。TIRIS中的线性可变滤光片的干涉膜层是多层窄带宽的，具有楔形形状，因此滤光片的中心波长的变化依赖于覆盖膜层的插入位置。干涉膜层被制作在一个矩形的硅底层上，尺寸严格与焦平面匹配。滤光片在6.4mm的长度上覆盖7.5～14μm的光谱范围，则产生1μm/mm的梯度。

瑞典国防部的Ingmar等研制了使用线性可变滤光片、具有高空间分辨率的高光谱成像仪。线性可变滤光片LVF安装在一个有5760像元×3840像元的大焦平面阵列（Focal Plane Array，FPA）上，LVF覆盖450～880nm的可见光至近红外的光谱范围。设计通过信号处理解决了LVF制作误差和离轴波长位移的问题。小型轻量级、低能耗高光谱成像仪的快速发展，也显示了其在基于地面和微型无人机的小等级系统中的应用的发展空间。

Thomas等制作的线性可变滤光片，具有非常高的波长梯度。线性可变滤光片可见波长梯度为50～100nm/mm，红外的波长梯度覆盖500～ 900μm/mm的范围。滤光片的有效面积在波长变化梯度方向达到5～30mm，在波长不变的方向达到30mm，且性能变化小于1%。

（3）液晶可调谐滤光片（Liquid Crystal Tunable Filter，LCTF）光谱成像仪。LCTF是一种Lyot型可调谐双折射器件，由依次排列的许多片组级联而成，每一级包含两个相互平行的偏振片，中间夹着液晶延迟片。当光源通过其中一级单元时，由于偏振片的作用，使得沿着液晶快、慢轴传播的两束光（o光、e光）的投影分量振动方向相同、具有一定的相位差，因此发生干涉。光程差（相位差）决定了不同波长光的透过率，改变加在双折射液晶的电压，可以调节液晶延迟片的相位差。Lyot型组件可以实现某个波长总透过率最高，因此通过在液晶上施加不同的电压，可以实现Lyot型组件透过波长的选择，成为液晶可调谐滤光片。

以LCTF建成的光谱成像仪，相机在每次调整波长后曝光一次，系统记录此波段的二维图像。设定波长调整间隔，循环完成系列波长图像的采集记录。这种光谱成像仪的光谱分辨率可以达到10～20nm。液晶的波长更换开关的切换时间较长，一般需50ms，快速的达到20ms，如果无须波长有序排列，可缩短到5ms。

（4）声光可调滤光片（Acousto-optic Tunable Filter，AOTF）成像光谱仪。当一种频率的声波辐射到声光介质中时，材料的晶格排列发生变化，材料的光学密度和折射率发生变化，形成一种光栅。此光栅将使入射的复色光发生衍射，使正、负第一级衍射为单色光。这就是声光效应。如果改变辐射声波的频率，则声光效应的光栅参数会发生变化，衍射光的波长也随之改变。只要将声波的频率设定为对应特定波长的频率，就可以实现该波长的分离，因此这样的声光调制器起到了滤光片的作用。AOTF分为共线型与非共线型。非共线型AOTF具有较大的口径和视场角，衍射光与零级光有一定的分离角，材料易获得，因此应用较多。

AOTF控制声波频率的变化速度，主要取决于材料的声速和通光孔径，一般可达微秒量级。最普通的AOTF可运行在从近紫外到短波红外范围，运行在长波红外范围则需要低温的材料。光的波段宽度依赖于设计和运行波长，最窄的峰值半宽可达到1nm。传输效率可达到98%，在正、负一级光束间分配。例如Jun WANG等设计的AOTF光谱成像仪，运行波长范围为0.4～1.0μm，光谱分辨率≤8nm，衍射效率为50%，视场角为5°，帧频为200Hz。

AOTF具有调制速度快、调谐范围宽、入射孔径角大，以及易于实现计算机控制等特点。

3．干涉型光谱成像仪

在光谱成像仪载荷研究中，首先进入工程应用的是基于光栅或棱镜的色散型光谱成像仪，但是随着科学技术的不断发展，特别是航空航天技术的飞速发展，人们对光谱成像仪的技术指标要求越来越高，主要表现在空间分辨率、光谱分辨率和对弱信号的探测能力等方面。色散型光谱成像仪存在着能量利用率低等原理性缺陷，使它的进一步发展具有局限性。相反，干涉型、傅里叶变换光谱成像仪在原理上具有高光谱分辨率与高能量利用率等优点，因此近年来受到人们的广泛关注和研究。特别是在20世纪90年代以后，出现了静态傅里叶变换光谱成像技术，这种新型光谱成像技术在原理上保留了傅里叶变换光谱成像技术的主要优点，并且可靠性和稳定性好、体积小、光谱线性度高、光谱范围宽，适合在飞机和卫星等飞行器上搭载，在国际上引起广泛的重视。美国林肯实验室光谱成像技术专家Persky认为，静态傅里叶变换光谱成像技术将成为光谱成像技术领域的典型代表和发展方向。

1.1.6　干涉型光谱成像仪

作为本书的重点之一，本小节将详细介绍干涉型光谱成像仪的工作原理和基本结构。

干涉型光谱成像仪通过获取目标的光谱干涉图信息，利用目标辐射的光谱干涉图与光谱之间的傅里叶变换关系，使用计算机技术对干涉图进行傅里叶变换，获得目标的光谱分布。获取探测目标辐射的光谱干涉图的不同方法，就形成了不同类型的干涉型光谱成像仪。目前应用于遥感干涉光谱成像技术中的方法主要有迈克尔逊干涉法、三角共路干涉法、双折射干涉法。

一、时间调制干涉光谱成像仪

时间调制干涉光谱成像仪采用动镜迈克尔逊干涉结构，其干涉成像光路原理如图1.15所示。

图1.15　时间调制傅里叶变换光谱成像仪的干涉成像光路原理（相里斌）

前置光学成像系统透镜1将目标成像于大孔径的视场光栏面，即透镜2的前焦面上；视场光栏面上任意一点发出的光束，经过准直系统透镜2后变为平行光。分束器将平行光按照相同的强度分为反射和透射的两束光，分别到达静镜和动镜，经静镜和动镜反射回来的两束平行光经分束器和透镜3汇聚，在像面成像并形成干涉图。通过动镜的前后平移，可以改变两束相干光线的光程差。在完整的干涉图采样过程中，系统一直“凝视”目标，每次采样对应动镜的一个位置，即对应干涉的一个光程差，因此可以采集到一系列具有不同光程差的二维干涉图像，形成干涉图像的数据立方体。对干涉图像的数据立方体进行多行的一维傅里叶变换，就可得到光谱图像数据立方体。

由于两相干光束的最大光程差取决于动镜的最大可移动长度，且最大光程差与光谱分辨率成正比，因此增加动镜的最大可移动长度可以提高仪器的光谱分辨率，使得时间调制干涉光谱成像仪能够实现高精度的光谱测量。但是此类光谱成像仪有两个明显的缺点：一是动镜的晃动、倾斜会造成成像与干涉图的偏差，因此此类光谱成像仪需要高精度的动镜系统，这将使得其结构复杂、成本高，且不适合高空间分辨率的光谱成像；二是目标的干涉图是时间调制的，完整的干涉图依赖于动镜的全程扫描，实时性不好，不适合测量运动或瞬变目标的光谱。

时间调制干涉光谱成像仪的主要代表是美国NASA研制的GIFTS和TES。

二、空间调制干涉光谱成像仪

1993年夏威夷大学与佛罗里达理工学院等在ONR支持下联合研制了空间调制干涉光谱成像仪，即空间调制成像傅里叶变换光谱仪（Spatially Modulated Imaging Fourier Transform Spectrometer，SMIFTS），光谱范围为1～5μm，光谱分辨率为100～1000cm−1，采用256×256 InSb探测器，该仪器对檀香山国际机场进行了成功的测量实验，得到了光谱图像。该仪器的成功为星载傅里叶变换光谱成像仪的研制奠定了基础。

1995年，在美国空军支持下，Kestrel公司与佛罗里达理工学院等合作，对前期研制的SMIFTS进行改进、提高，研制了机载傅里叶变换可见光高光谱成像仪（Fourier Transform Visible Hyperspectral Imager，FTVHSI），光谱范围为0.44～1.1μm，波段数为256，视场角为15°，瞬时视场角为0.8mrad，采用了1024×1024面阵CCD，两行、两列相加为一行、一列（binning模式）。FTVHSI是对传统色散型光谱成像原理的突破，它的诸多原理性优点和很好的机载飞行试验结果，引起国际上广泛的关注。

在SMIFTS和FTVHSI的研制基础上，干涉型高光谱成像仪很快地得到美国空军的进一步支持，他们开始研制星载仪器，在短短3年时间里，美国Kestrel公司及原SMIFTS（或FTVHSI）研究小组（现密歇根理工大学）一起成功研制了强力卫星MightySat II.1搭载的傅里叶变换高光谱成像仪（Fourier Transform Hyperspecrral Imager，FTHSI），它于2000年7月19日在美国加利福尼亚州范登堡空军基地发射成功。至此，空间调制傅里叶变换光谱成像技术在短短8年左右时间里，走过了原理研究、地面装置试验、机载飞行试验和卫星发射成功全过程。（黄旻）

由中科院西安光机所研制的CE-1（2007年发射）光谱成像仪，和HJ-1A（2008年发射）高光谱成像仪，都是空间调制干涉光谱成像仪。

空间调制干涉光谱成像仪的光谱系统采用横向剪切双光束干涉原理，按照分光元件的不同主要可分为萨格奈克（Sagnac）三角共光路干涉型及其变体、萨伐尔（Savart）偏振干涉型、马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉型及电子计算机断层扫描（Computer Tomography，CT）投影干涉型。下面主要介绍前两种实用的干涉型光谱成像仪。

1．空间调制萨格奈克三角共光路干涉光谱成像仪的工作原理

在空间调制干涉光谱成像系统中，萨格奈克三角共光路干涉光谱成像仪即萨格奈克傅里叶变换光谱成像仪无疑是目前最具有代表性的系统之一，它采用的是无动镜三角共光路结构，是航天遥感中一种先进的干涉型光谱成像仪，它具有高通量、无动镜、数据处理简单等特点。由于它是一种共光路干涉仪，所以两路相干光所处的外界环境，不论是力学条件还是温度环境都是相同的，因此它具有非常强的航天环境适应能力。

此类系统目前有带狭缝的推扫式（Push-brooming）和不带狭缝的窗扫式、大孔径静态光谱成像仪（Large Aperture Static Imaging Spectrometer，LASIS），窗扫式的是时空联合调制成像的光谱仪。

图1.16是空间调制傅里叶变换干涉光谱成像仪光路原理。该仪器采用的是萨格奈克三角共光路实体结构。

图1.16　空间调制傅里叶变换干涉光谱成像仪光路原理

其光学系统由前置镜、狭缝、干涉仪、傅里叶变换镜（简称傅氏镜）、柱面镜和探测器（FPA）组成。前置镜将被测目标聚焦于入射狭缝处，狭缝垂直于纸面，并用来限制被测目标的视场，则在像面有相应的一维线状目标的图像（方向垂直于纸面）。傅氏镜的前焦面与狭缝平面重合，傅氏镜后焦面与FPA重合；柱面镜组的母线平行于纸面，其后焦面也与FPA重合。

萨格奈克干涉仪由两个结构尺寸相同的半五角棱镜组合而成，其中一个棱镜在分束面内沿与光轴成45°方向平移一个偏移量，形成一个横向剪切干涉仪。在空间调制傅里叶变换光谱成像仪中，狭缝表面发出的每一条光线入射到干涉仪时，被具有半透半反膜层的分光面（Beamsplitter，BS）分成反射光和透射光，再经棱镜组两个半五角棱镜反射面及分光面的再次反射和透射后，被剪切成两条相互平行的相干光，这两条光线之间的横向距离即为干涉仪的横向剪切量。具有相同视场角的、被横向剪切的两束光，通过傅氏镜聚集到FPA的同一点上并发生干涉。由于入射光经过干涉仪的分光面被分光时，一束是两次反射光，另一束是两次透射光，因此分光膜的光强分光比直接影响着条纹的对比度，必须对分光膜的光学性能进行严格控制。图1.17所示为空间调制萨格奈克三角共光路干涉光谱成像仪剪切干涉等效光路示意（图中f_F为傅氏镜焦距），横向剪切棱镜的作用相当于把一个点光源分解为两个位于无限远的虚拟光源，并且这两个虚拟光源之间的距离等于该仪器的横向剪切量。随着光束视场角的变化，两个虚拟光源发出的光束在FPA上的交点干涉的光程差也发生变化，因此在FPA上产生沿水平视场方向的干涉图。这个干涉图是所有单色光干涉叠加合成的傅里叶合成干涉图。由于光程差是沿FPA平面空间变化的，干涉图由空间序列像元图像产生，称为空间调制干涉。由于光束通过干涉仪分光面时存在半波损失，因此在零光程差位置对应的干涉极大值是暗纹。空间调制干涉型光谱成像仪的干涉光程差范围受到焦平面宽度的限制。

图1.17　空间调制萨格奈克三角共光路干涉光谱成像仪剪切干涉等效光路示意

图1.16中所示的平行于纸面的截面内，干涉仪、傅氏镜与柱面镜构成了干涉仪系统，在FPA上得到干涉图。在此系统中，柱面镜仅相当于玻璃平板。在垂直于纸面的截面内的成像系统中，干涉仪相当于玻璃平板，傅氏镜与柱面镜构成了成像仪，在FPA上得到了狭缝的像。这样，在FPA上就得到了一维光谱图像和一维空间图像，像面图像如图1.18所示，即每幅干涉图与一维线状目标对应，通过沿干涉图方向的光谱维推扫就可以获得二维目标的干涉立方体。

图1.18　空间调制萨格奈克三角共光路光谱成像仪像面图像（均匀目标图像）

理论上，横向剪切干涉仪产生的光程差χ随入射视场角α变化：

χ = dsinα　　（1.1）

式中，d ——光束的横向剪切量；α——入射视场角。

在空间调制干涉光谱成像仪中，准直光学系统采用了傅氏镜，傅氏镜的像高y与焦距f的关系为：

　　（1.2）

将式（1.2）代入式（1.1），可得到光程差χ的线性表达式：

χ = dy/f　　（1.3）

在空间调制干涉光谱成像仪的单帧图像中，对空间维每个像元抽取光谱维的干涉图数据I(x)，通过傅里叶变换和光谱复原，即可得到入射光谱分布B(σ)（σ为光谱的波数）。

干涉图交流部分的表达式为：

　　（1.4）

式中，σ₁——光谱仪的起始波数；σ₂——光谱仪的终止波数；χ ——光程差；y ——焦平面上坐标点距零光程差点的距离。

则复原光谱B(σ)是干涉图I(x)的傅里叶逆变换，表示为：

　　（1.5）

经数据图像系统合成处理后，可以得到目标的黑白快视图、各单谱段图像及合成彩色图像。

2．空间调制干涉光谱成像仪光学系统设计（白加光）

（1）主要性能参数的选择。

① 探测器的选择。

根据干涉型光谱成像仪的成像原理，像面探测器需要同时获取空间维和光谱维的信息，则在成像平面应选用面阵探测器。光谱维的像元数量（或采样点数量）直接限制了干涉图的最大光程差，空间维的像元数量则影响空间维成像的视场宽度，因此面阵探测器的二维像元数量应尽量多。需根据仪器设计的总体要求选择探测器的工作性能。对于探测器的响应特性，需考虑响应度、光谱响应范围、噪声、动态范围。对于探测器的时间特性，要求可以满足不同的曝光时间和帧频的需要。对于探测器的总体尺寸和像元尺寸的选择，则需与光学系统及仪器的总体设计综合考虑。

② 光学系统焦距的确定。

高光谱成像仪光学系统焦距与轨道高度、探测器像元大小和地面像元分辨率（又称地面瞬时视场）有如下关系。

　　（1.6）

式中，f ——光学系统焦距，单位为mm；H ——卫星运行轨道高度，单位为km；Δl ——地面像元分辨率，即与探测器像元对应的地面单元的投影长度，单位m；S ——探测器单元尺寸，单位为μm；J ——成像方向上一个单元包含的像元个数，J=1,2,……

③ 幅宽和视场角。

高光谱成像仪光学系统的视场决定了地面成像幅宽，地面瞬时视场（像元中心对光学系统后主点所张的平面角）乘以探测器空间方向的像元数可得空间方向视场角。光谱方向的视场角由光谱采样定理所确定的像元行数计算。光学系统光谱方向视场角fov按式（1.7）计算。

　　（1.7）

式中，N ——探测器在干涉图方向上的总采样点数。

在小视场角，即fov小于10°的条件下，空间方向fov可近似地按式（1.8）计算。

　　（1.8）

式中，w ——成像幅宽，单位为km。

④ 相对孔径。

相对孔径或相对孔径的倒数F#（F数，F# = f/D，D为光学系统的入瞳孔径）是光谱成像仪的重要参数，与曝光量、输出信号强度、动态范围、信噪比、MTF及图像质量等许多重要参数密切相关。在设计中，要根据太阳高角、目标反射率、工作波段的条件，采用Modtran软件计算光学系统的入瞳辐亮度，选取照度和动态范围的信号强度，做信噪比复核复算，直到满足要求。

首先需考虑光学系统的能量利用率，应使几何像差的弥散斑尺寸Δyʹ小于探测器的像元尺寸。

Δyʹ = 2.44F#λ　　（1.9）

式中，λ——成像光的波长。

例如：对于工作波段在可见-近红外波段0.45～0.95μm内的光谱成像仪，最大波长为0.95μm，选用像元尺寸18μm，则系统F#必须小于7.7。为了实现高分辨率观测，衍射极限的分辨角要小于瞬时视场20.8μrad，综合光学系统的遮拦、透镜界面反射损失、干涉仪实际效率等各种因素，取系统的焦距为117mm，选取光学系统的入瞳口径为36mm，F#为3.25。

⑤ 光谱分辨率。

实际的干涉图总是测量到某一有限的极大光程差L_m为止，所以，通常是用式（1.10）来计算光谱分布函数B(σ)的：

　　（1.10）

式中，I(x)——干涉强度分布函数；L——可测量的最大光程差；T(x)——截断函数。

　　（1.11）

当|x|≤L时，T(x) = 1；当|x|＞L时，T(x) = 0。

令t(σ)为截断函数T(x)的逆傅里叶变换，也称为仪器的线性函数。当T(x)为矩形函数时：

　　（1.12）

令B₀(σ) = F−1[I(x)]，按照卷积定理，则B(σ)由B₀(σ)和t(σ)的卷积计算，即：

　　（1.13）

对于波数为σ₁的单色光，其光谱函数为B(σ₁)，则复原光谱为：

　　（1.14）

由此可见，受仪器线性函数的影响，波数为σ₁的单色光的复原光谱不再是一个脉冲函数，而是中心在σ₁处的sinc函数。

仪器的线性函数与傅里叶变换光谱成像仪的光谱分辨率直接相关，不同的线性函数，光谱可分辨的判据也不同。对于三角形截断函数，其光谱分辨率为：

　　（1.15）

对于矩形截断函数，光谱分辨率为：

　　（1.16）

通常情况下，干涉型光谱成像仪的分辨率介于1/L到1/(2L)，而且最大光程差L越大，光谱分辨率越高。

波数分辨率与光谱分辨率的换算关系为：

　　（1.17）

反之为：

　　（1.18）

⑥ 干涉图的采样步长分析。

干涉图的采样步长即光程差的采样间隔。根据香农采样定理，至少需要两个像素才能检测一对条纹，可以实现无损失记录。因此采样步长至少是一个像素。

（2）干涉仪的光学结构及优化设计。

萨格奈克直角三角共光路横向剪切分束器是静态空间调制干涉光谱成像仪的关键部件，它的作用是将一束入射光沿垂直于光轴的方向（横向）剪切成两束相互平行的相干光，这两束光之间的横向距离称为横向剪切量。目前常用的横向剪切分束器主要是萨格奈克直角三角共光路干涉仪，其结构如图1.19所示。

图1.19　萨格奈克直角三角共光路干涉仪结构

从图1.19可以看出，干涉仪是由两个光轴转角为45°的半五角棱镜胶合而成的，其中一个半五角棱镜的胶合面必须镀高效、宽带半透射半反射、消偏振分光膜，且其中一个半五角棱镜在分光面内沿平行主平面方向平移，形成一定错位量。入射光束经分光面后，一路按顺时针方向在分光面上经二次反射，一路按逆时针方向在分光面上经二次透射，使出射光束形成相互平行的横向剪切干涉光。

两块半五角棱镜是具有相同折射率的实体型干涉仪结构，孔径光阑位在棱镜展开空气层的对称中心，这样可以使干涉仪的结构尺寸最小化。棱镜的展开厚度L_P和干涉仪五角棱镜的直角边长l的关系为：

　　（1.19）

图1.19中，h为棱镜底边到入射光束光轴的高度，按式（1.20）计算：

　　（1.20）

式中，θ——入射光线的发散角。

剪切量d与棱镜错位量cʹ的关系为：

　　（1.21）

由于干涉仪剪切干涉的二路光共光路，因此它的优点是可降低干涉仪本身加工精度和装配精度的要求，对环境的适应能力强，性能稳定。

图1.20是萨格奈克分体式干涉仪，由一个立方棱镜和两个按照五角棱镜反射面位置布局的分体平面镜M1、M2组成。萨格奈克分体式干涉仪对光束的剪切原理与实体型干涉仪相同，立方棱镜底边到入射光束光轴的高度为h，立方棱镜的分光面BS也需镀高效、宽带半透射半反射、消偏振分光膜。设分体式干涉仪中一块反射板M2反射面的平移量为c，横向剪切量d与平移量c之间的关系可表示为

　　（1.22）

图1.20　萨格奈克分体式干涉仪结构

图1.21是萨格奈克干涉仪光程差计算的等效光路示意。一条光线被剪切为相距d的两条光线，两条光线通过傅氏镜后在焦平面的成像面处相交并干涉，两条光线的光程差x为：

x = d·sinα ≈ dy/f_F　　（1.23）

式中，y ——成像面光谱维干涉点到轴上点O（零光程差点）的距离；f_F——傅氏镜的焦距；α——视场角。

图1.21　萨格奈克干涉仪光程差计算的等效光路示意

使用单边过零采样的方法采集干涉图数据，探测器在干涉图方向上单边总采样点数为N_M，y_M为干涉点到轴上点O的最大距离，则FPA上产生的最大光程差L_M为：

L_M = dy_M/f_F = (d·N_M·S)/f_F　　（1.24）

式中，S ——采样像元尺寸。则有

d = (L_M·f_F)/(N_M·S)　　（1.25）

由式（1.25）看出，剪切量与最大光程差、傅氏镜的焦距成正比，与探测器像元尺寸成反比。

3．空间调制干涉光谱成像仪的主要特点

（1）狭缝的长度和宽度只确定成像的空间分辨率，而不影响光谱分辨率。

（2）没有运动部件，面对外界扰动和振动，具有良好的稳定性，适合对地遥感测量。

（3）高光通量、高输出，这又称为贾奎诺特优点，在同等情况下，傅里叶变换光谱仪的光输出量要比采用光栅分光的光谱仪大得多。

（4）多通道，与色散型光谱成像仪相比，可测光谱范围更宽，这又称为Fellgett优点。傅里叶变换光谱仪的信噪比比常规光谱仪有很大提高，可以是传统的光栅光谱仪的(N/2)1/2倍，N为光谱通道数。尤其在红外波段的辐射源都比较弱时，傅里叶分光计比一般光栅或棱镜分光计优越得多。

（5）实时性好，目标点的光谱和空间信息同时获得，适合测量光谱和空间变化的目标。

（6）光谱定标精度、消杂散光特性、体积重量及制造成本较色散型光谱成像仪系统也有明显优势。

但是此类光谱成像仪要求视场与推扫运动高度配准，对平台稳定性要求比较高。

美国2000年7月发射的实验卫星MightySat II.1上搭载的FTHSI就是空间调制的光谱成像仪。我国HJ-1A高光谱成像仪和CE-1卫星搭载的高光谱成像仪，就是利用萨格奈克干涉仪分光的空间调制干涉光谱成像仪。

三、时空联合调制干涉光谱成像仪

时空联合调制干涉光谱成像仪能够获得地物“图谱合一”的信息。相里斌提出一种基于横向剪切干涉仪的时空联合调制干涉光谱成像仪方案，这种光谱仪没有入射狭缝，没有运动部件，其能量利用率优于空间调制干涉光谱仪。与时间调制型光谱仪相比，其在结构上更加可靠，也更容易实现。

中科院西安光机所于1999年研制了时空联合调制的大孔径静态干涉光谱成像仪LASIS和配套的高稳定度工作平台。图1.22为时空联合调制干涉光谱成像仪原理样机［见图1.22（a）］及其获取的单帧图像［见图1.22（b）］。

（a）时空联合调制干涉光谱成像仪原理样机

（b）获取的单帧图像

图1.22　时空联合调制干涉光谱成像仪原理样机及其获取的单帧图像

如图1.23所示，LASIS主要由5部分组成，前置光学系统、干涉仪、成像镜、探测器和数据采集系统等。其基本原理是在无限远成像系统中加入横向剪切分束器，前置光学系统的作用是可以压缩后续光学零件的尺寸和体积。光路原理基本与空间调制傅里叶变换光谱成像仪相同，只是在前置光学系统的后焦面处将视场光栏的狭缝改为大孔径的窗式光栏，因此在光谱成像仪的像面FPA上可以形成目标的二维图像。与此同时每束光线被萨格奈克干涉仪剪切，在像面FPA上形成干涉。与空间调制相同，干涉的光程差由干涉仪的剪切量d、傅里叶镜的焦距f和干涉点距零光程差点的距离y决定，在干涉仪的剪切方向产生干涉图，就形成了一维光谱信息。由于y值与光谱仪在剪切方向的视场角对应，像面处像元的响应实为该目标对应此视场角的干涉数据。LASIS每次采样的单帧图像如图1.22（b）所示，在二维图像上叠加了干涉条纹，即包括了两维的空间信息也包括了一维光谱信息。在采样过程中，FPA表面每一点产生的光程差是恒定的，属于空间调制干涉系统。但对于每个目标点，要获得一副完整的、包括全部光程差的干涉图，还需要进行全视场连续帧的推扫成像（沿光谱维推扫）才能完成。在推扫过程中，每个像点在不同时刻被不同的光程差调制，推扫达到最大光程差后才能得到完整的干涉图数据，得到时间序列的干涉图。对该干涉条纹数据进行傅里叶变换，即可得到所对应物点的光谱信息。所以说LASIS具有时间、空间调制的型式。

图1.23　LASIS干涉光谱成像仪光学系统原理

LASIS的原始图像数据需经过重新排列：在推扫的时间序列图像中，对空间维、零光程差列的每个像元，沿光谱维依次抽取各光程差的干涉数据，得到该空间像元的点干涉图，再通过傅里叶变换和光谱复原处理，得到共轭物元的辐射光谱。以同样的方法，在依次抽取的图像中计算空间维、零光程差列各像元的复原光谱，最终得到全视场二维空间像元的辐射光谱。理想情况下，利用全视场推扫的所有图像帧序列，即可获得地物目标的点干涉数据，其提取过程如图1.24所示。

图1.24　点干涉数据提取过程

由图1.24可以看出，要准确提取目标的干涉数据，需要满足两个条件，一是对目标进行全视场推扫，二是提取的图像帧满足特定的对应关系。

图1.25　LASIS获得的单色图像

通过辐射定标和合成图像处理，可以得到二维空间的单色图像、复色图像和色彩更真实的彩色图像。图1.25、图1.26分别为LASIS获得的单色图像和合成彩色图像。

图1.26　LASIS获得的合成彩色图像

LASIS干涉图调制度与曝光时间内像点移动的距离有关，因此需对光谱仪装载平台的运动稳定性提出较高的要求。此外，在能量通量足够的前提下，可以采用电子快门缩短曝光时间，提高干涉图的调制度。

高通量和高稳定度的特性，给LASIS带来了许多优点：由于高通量，光学系统的口径可以很小，从而减轻重量、缩小体积；由于高通量，探测器的噪声影响相对降低，从而放松了对探测器的要求，或省略制冷环节以减轻重量、缩小体积，或采用制冷技术以提高信噪比；由于高通量，探测器的曝光时间可以缩短，从而提高空间维和光谱维的信号质量；由于高稳定度，其适用于苛刻环境；由于高稳定度，其寿命大大延长。

LASIS虽然是画幅式光谱成像仪，它的推扫仍然是逐行进行的。因此，在推扫方向上有许多冗余图像信息，一方面，可以利用这些信息获得高光谱图像，另一方面，也可以将它看作类似时间延迟积分（Time Delay Integration，TDI）照相机。这样，通过图像处理，能够同时获得高光谱图像和高灵敏度直接图像，二者甚至可以相互校准、融合。利用线性预测、自回归、奇异值分解等方法，在干涉图（看作时域信号）域中，可以实现光谱分辨率的提高；利用面阵探测器逐行推扫的冗余图像之间的匹配、数据融合等方法，可以实现空间分辨率的提高。

但是，由于LASIS获取完整干涉图不是实时进行的，要依靠载体的运动来推扫，因此对载体姿态的要求比较高，这也是该方案突出的缺点之一。LASIS的研究提出了利用图像匹配修正载体姿态误差的高精度算法，获得了很好的实验结果，大大降低了LASIS对载体姿态的要求。此外，对于卫星载荷的时空调制干涉光谱成像仪，在高帧频工作条件下，获取全光程差干涉图的实际时间可以达到10−1s级，在对地观测中可以满足采样时间的要求。例如：帧频为500，最大光程差采样点数为200，则获取全光程差干涉图的实际时间为0.4s。

目前中科院西安光机所已经为几个高分探测卫星研制生产了此类光谱成像仪，它已应用于地球观测工作。

四、偏振干涉光谱成像仪

利用具有双折射特性的光学元件实现分光干涉的光谱成像仪，即为偏振干涉型光谱成像仪。用于偏振干涉光谱成像仪的双折射光学元件主要有：偏光棱镜、液晶可调谐滤光片（Liquid Crystal Tunable Filter，LCTF）以及非共线性声光调制滤光片（Acousto-Optic Tunable Filter，AOTF）。下面主要介绍偏光棱镜分光的偏振干涉光谱成像仪。

偏振干涉成像光谱仪的光学系统与采用萨格奈克干涉仪的光谱成像仪相似，由前置光学系统、一次像面视场光栏、准直镜、干涉仪、成像系统和FPA组成。偏振干涉成像光谱仪的核心是偏振干涉仪，它主要由双折射分束器和位于其前后的两个偏振器（偏振片）组成。双折射分束器分为横向剪切和角剪切两类，目前代表性的方案有基于萨伐尔板的横向剪切分束器和基于渥拉斯顿（Wollaston）棱镜的角剪切分束器，二者虽然在结构和性质上有所不同，但都能起到将一束线偏振光分割成振动方向相互垂直的二束线偏振光的作用。

偏振干涉成像光谱仪同样可分为空间调制和时间、空间联合调制两种形式。一种是一次像面视场光栏为狭缝，成像系统中有柱面镜。图1.27是1996年美国华盛顿大学研制的双折射（Birefringent）干涉光谱成像仪DASI的光学系统示意，干涉仪采用渥拉斯顿棱镜干涉仪。前置光学系统将目标成像于一次像面的狭缝上，经准直镜入射到偏振器（Polarizer），沿起偏器偏振化方向的线偏振光入射到渥拉斯顿棱镜，渥拉斯顿棱镜将入射光分解为两束强度相等的寻常光（o光，振动方向垂直于主平面）和非寻常光（e光，振动方向平行于主平面）。这两束振动方向垂直的线偏振光经检偏器后，成为与检偏器偏振化方向一致的两束线偏振光，经成像系统聚集于成像平面处的探测器上，在剪切方向上得到干涉图。因此在成像平面探测器上形成一维空间图像，同时经偏振棱镜的剪切干涉在垂直于狭缝方向形成物面像元的干涉图，通过推扫获得二维空间信息，成为空间调制光谱成像仪。

图1.27　双折射干涉光谱成像仪DASI的光学系统示意图（具有离轴前置镜）

DASI有可见光和短波红外两种，光谱范围分别为0.4～1.0μm和1.2～2.2μm。DASI在1994年进行了机载飞行实验，获得地面机场跑道、农田植被等目标的图像和干涉图。（Smith）

另一种如图1.28所示的稳态偏振干涉成像光谱仪（USIP1S）的光学系统示意。在采用双折射棱镜（萨伐尔板）的偏振干涉仪的光谱成像仪中，光学系统的前置镜L₁后焦面处使用大孔径的视场光栏，就成为时间空间联合调制的光谱成像仪。此类光谱成像仪可以获得很大的光通量。

图1.28　稳态偏振干涉成像光谱仪（USIP1S）的光学系统示意

比利时的Dewandel等及我国西安交通大学的张淳民对这种大孔径、双折射棱镜的光谱成像仪进行了研究，并取得实验室验证结果。

大孔径、双折射棱镜的干涉光谱成像仪的主要特点是高通量、高稳态。

1.1.7　不同类型光谱成像仪的性能比较

前面介绍了不同空间成像、光谱成像形式的各种类型的光谱成像仪，现就使用较多的时空调制干涉光谱成像仪LASIS、空间调制干涉光谱成像仪SMIS和色散型光谱成像仪的性能特点做比较，详见表1.3。