光譜成像技術(shù)是一種全新的遙感成像技術(shù)，近四十年來才開始發(fā)展。它的特點包括具有超多波段、高分辨率、波段窄、光譜范圍廣和圖譜合一等。由于這些特點，它在地質(zhì)學、植被科學、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文簡要介紹了光柵光譜儀的成像原理。

光譜成像技術(shù)的概述：

高光譜成像儀是一種先進的光學儀器，用于獲取物體的高光譜信息。它能同時捕捉到不同波長范圍的光譜數(shù)據(jù)，從而幫助科學家們深入研究物體的化學組成和光譜特性。高光譜成像儀在農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)勘探和醫(yī)學診斷等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。它的技術(shù)優(yōu)勢在于可以提供豐富的光譜信息，從而更準確地判斷物體的特征和狀態(tài)。高光譜成像儀在研究和應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用，為人們帶來了更多的科學發(fā)現(xiàn)和實際應(yīng)用價值。

光譜成像技術(shù)是一種在視覺上呈現(xiàn)物體不同波長的光的方法。它通過分析光的顏色和強度來獲取物體的特征與信息。這種技術(shù)在許多領(lǐng)域中都有應(yīng)用，例如遙感、醫(yī)學影像和材料科學等。光譜成像技術(shù)能夠捕捉到不同物質(zhì)對不同光波長的吸收、反射和發(fā)射特性，從而提供有關(guān)物體性質(zhì)和組成的重要數(shù)據(jù)。該技術(shù)具有高分辨率、非接觸性和快速成像等優(yōu)勢，可以幫助研究人員深入了解物體的結(jié)構(gòu)、成分和功能。

光譜成像是一項結(jié)合了設(shè)計、制造、評估和儀器應(yīng)用的藝術(shù)與科學。使用該技術(shù)可以同時捕捉具有高空間分辨率和光譜特性的場景，用于物體的檢測、分類、識別和表征。目前，采用光學技術(shù)開發(fā)的高光譜圖像傳感器主要包括：色散棱鏡或光柵分光光譜儀、邁克爾遜傅里葉變換光譜儀、空間傅立葉變換光譜儀、掃描Fabry-Perot標準具、聲光可調(diào)濾光片和介質(zhì)濾波器。在機載或天基平臺上實現(xiàn)光譜成像時，最常用的是色散成像光譜儀，它可以將光譜信息沿著二維探測器陣列的一個方向進行映射。在任何時刻，光譜儀都會同時收集多個波長的光，用于構(gòu)成場景的單個空間切片的一個幀，然后通過掃描和收集多個幀來擴展另一個空間維度。棱鏡式色散光譜儀常用于反射和發(fā)射光譜區(qū)域的空中操作，下圖所示。

高光譜成像系統(tǒng)的示意圖

光柵光譜儀的成像原理：

光柵光譜儀的成像原理是通過光柵的作用來分散光線，并將不同波長的光線分開。當進入光柵光譜儀的光線通過光柵時，光柵會將光線分成很多條，并使它們按照不同的波長排列成一個光譜。這個光譜可以通過相機或探測器來捕捉和記錄。這種成像原理可以用來分析光線的成分和波長特性。

典型光柵光譜儀工作原理如下圖所示。光源從遠處（圖中的左邊）通過成像透鏡組件進行聚焦，形成圖像在狹縫平面上。狹縫是一個不透明的表面，只允許高度為一個像素、寬度為n個像素的矩形區(qū)域內(nèi)的光線通過。通過三個反射鏡，狹縫的圖像再次成像到二維探測器陣列上，使得狹縫的高度與探測器元件尺寸相匹配，狹縫的寬度與探測器陣列的寬度相匹配。在不考慮其他因素的情況下，二維探測器陣列只會生成通過狹縫場景的部分線性圖像。光譜儀還包括一個在中間鏡表面的衍射光柵，將光分散在探測器陣列上，形成每個空間位置的光譜信號，使其穿過陣列中的該維度入口狹縫。

高光譜成像光譜儀的成像原理示意圖

在獲取和校準高光譜數(shù)據(jù)后，需要研究如何提取和利用其中的有效信息。與傳統(tǒng)的全色圖像或多光譜圖像不同，高光譜圖像中的信息不是直觀可見的，需要使用計算機處理來提取。因此，高光譜遙感領(lǐng)域一直在努力開發(fā)算法技術(shù)，用于檢測、分類、識別、量化和表征捕獲數(shù)據(jù)中感興趣的對象和特征。一般來說，這種處理方法主要有兩種：物理建模和統(tǒng)計信號處理。當將高光譜遙感應(yīng)用于物體檢測和分類問題時，使用統(tǒng)計處理或物理建模與統(tǒng)計信號處理相結(jié)合的方法非常有效，因為這些方法能夠很好地捕捉光譜特性中的自然和人造變化的隨機性，這在實際圖像中通常存在且難以通過物理建模來描述。許多在通信和雷達信號處理領(lǐng)域中使用的技術(shù)也為高光譜成像應(yīng)用開發(fā)了許多新的檢測信號的方法，以應(yīng)對結(jié)構(gòu)化噪聲情況。這些方法是針對不同的應(yīng)用環(huán)境具體設(shè)計的，不能統(tǒng)一概述。然而，大多數(shù)方法都具有三個共同的基本功能：

（1）為了解決大氣和環(huán)境未知的影響，可以采用一種方法來補償，使成像光譜儀能夠以一種定量的方式捕獲目標物體的光譜輻射率數(shù)據(jù)，例如反射率或發(fā)射率分布。

（2）基礎(chǔ)模型是用于計算圖像內(nèi)統(tǒng)計方差的模型，同時還有一種數(shù)學方法用于將數(shù)據(jù)擬合到相關(guān)模型參數(shù)。

（3）有一些方法可以基于目標物體在場景中的獨特光譜特性來進行檢測、分類和識別。通常，這些檢測、分類和識別的方法是基于對光譜數(shù)據(jù)使用合適的統(tǒng)計模型的假設(shè)檢驗。