周 陽 楊宏海 劉 勇 林 森

(北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076)

高光譜成像技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

周 陽 楊宏海 劉 勇 林 森

(北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076)

介紹了國外先進(jìn)高光譜成像載荷發(fā)展情況和國內(nèi)以高分五號(hào)載荷為代表的高光譜成像技術(shù)發(fā)展水平，憑借在光譜分辨率、空間分辨率、成像質(zhì)量等方面取得的長(zhǎng)足進(jìn)步，廣泛應(yīng)用于資源勘探和環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)重要領(lǐng)域。分析了Offner結(jié)構(gòu)和Dyson結(jié)構(gòu)的推掃型成像儀的特點(diǎn)，提出未來凝視型成像方式的發(fā)展前景，并介紹了目前基于AOTF分光方法的中紅外高光譜成像儀，實(shí)現(xiàn)了較好的光譜成像效果。

高光譜 成像 Offner結(jié)構(gòu) Dyson結(jié)構(gòu) 凝視型

1 引 言

20世紀(jì)80年代初，在研究礦物與巖石光譜特性過程中提出了成像光譜的概念，即將空間信息與光譜信息融合到一種探測(cè)方式下，既獲得觀察區(qū)域的空間圖像，又可以根據(jù)光譜數(shù)據(jù)分析觀察區(qū)域的物質(zhì)組成。隨著分光結(jié)構(gòu)和元件的進(jìn)步，以及光學(xué)探測(cè)技術(shù)的愈加先進(jìn)，成像光譜儀的光譜分辨力能夠達(dá)到納米級(jí)，分光方式也趨于多樣化，這種既有高光譜分辨率又能夠保證清晰的空間圖像的探測(cè)技術(shù)成為遙感領(lǐng)域的新寵，對(duì)氣候變化、資源勘探、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面的進(jìn)步起著極大的推動(dòng)作用。

2 國際高光譜成像技術(shù)發(fā)展熱潮

高光譜成像技術(shù)在國外經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展與積累，形成了豐富的產(chǎn)品種類與成熟、快速的開發(fā)模式。目前經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用考驗(yàn)的高光譜成像儀，從分光結(jié)構(gòu)的角度分類，有色散方式、干涉方式、濾光片方式等，從成像方法的角度分類，有推掃型、凝視型等，覆蓋波段可從可見光一直到長(zhǎng)波紅外，廣泛應(yīng)用于各類機(jī)載載荷以及遙感衛(wèi)星，并且其快速商業(yè)開發(fā)模式也成功應(yīng)用于航天領(lǐng)域，大大降低航天產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本。

2.1小型火星高光譜勘測(cè)載荷(CRISM)

美國在2005年發(fā)射的火星軌道勘測(cè)器(MRO)旨在通過遙測(cè)手段在火星表面尋找液態(tài)水存在的痕跡，通過其搭載的小型火星高光譜勘測(cè)載荷CRISM對(duì)火星表面數(shù)千個(gè)關(guān)鍵位置進(jìn)行觀察，獲得高空間分辨率、高光譜分辨率、高信噪比的圖像數(shù)據(jù)，除了尋找液態(tài)水的證據(jù)，還可以用于對(duì)火星地表礦物成分、兩極冰蓋的變化、大氣成分季節(jié)性變化等的科學(xué)研究[1,2]。如圖1，CRISM覆蓋波段為383nm～3 960nm，其可見光探測(cè)器(383nm～1 071nm)和短波紅外探測(cè)器(988nm～3 960nm)的面陣像元數(shù)都為640×480，分光方式都采用Offner結(jié)構(gòu)的光柵分光方法，在可見光波段光譜分辨率達(dá)到6.55nm，在紅外波段達(dá)到6.63nm，空間分辨率低于20m。在掃描機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面，CRISM的沿軌運(yùn)動(dòng)方向添加了回掃機(jī)構(gòu)，從而提高積分時(shí)間，增加信噪比。

2.2超小型高光譜成像儀(UCIS)

美國JPL實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的超小型高光譜成像儀(UCIS)，僅有不足0.5kg，憑借其超小的體積和重量適用于火星車、月球車等各種探測(cè)平臺(tái)，可以輕易地安裝在火星車桅桿上探測(cè)地表成分并引導(dǎo)火星車對(duì)重要礦物進(jìn)行重點(diǎn)觀察[3]。UCIS的光學(xué)結(jié)構(gòu)為與M3月球測(cè)繪器相同的光柵分光Offner結(jié)構(gòu)，但由于在火星車上探測(cè)可以適當(dāng)調(diào)整掃描速度，因此可以通過增加積分時(shí)間從而減小光學(xué)結(jié)構(gòu)體積，并且減少狹縫長(zhǎng)度和前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)鏡片數(shù)量同樣降低結(jié)構(gòu)尺寸，最終得到了超小型的設(shè)計(jì)結(jié)果，如圖2所示。

UCIS的凸面閃耀光柵由JPL利用電子束印刷刻制技術(shù)制成，并且區(qū)別于以往的鋸齒狀刻痕，采用一種改良的凹槽設(shè)計(jì)，使其能夠在一級(jí)衍射光內(nèi)有效覆蓋全部波段(600nm～2600nm)，且在太陽輻照強(qiáng)度較低的短波紅外波段具有較高的衍射效率，以平衡整體光能強(qiáng)度。

2.3環(huán)境測(cè)繪與分析計(jì)劃EnMAP

環(huán)境測(cè)繪與分析計(jì)劃(EnMAP)是德國地球遙感計(jì)劃的一部分，在可見光到短波紅外波段內(nèi)提供高質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)化的高光譜圖像數(shù)據(jù)[4][5]。光柵衍射分光的方法受困于其衍射效率低，在對(duì)大波段范圍探測(cè)時(shí)問題尤為凸顯，此外光柵分光對(duì)光線偏振的靈敏度過高，并且在高級(jí)次衍射中出現(xiàn)的鬼像要求系統(tǒng)添加額外的濾光鏡。如圖3所示，針對(duì)光柵分光的這些問題，EnMAP采用Fery曲面棱鏡的Offner分光結(jié)構(gòu)，完美規(guī)避了這些缺陷，并且解決了普通棱鏡光譜彎曲、畸變大，色散非線性嚴(yán)重等問題[6]。

EnMAP在可見-近紅外波段采用1024×512的CCD探測(cè)器，在短波紅外波段采用1024×256的MCT探測(cè)器，1024像元方向?yàn)楠M縫方向，即一維空間圖像方向，另一個(gè)方向是光譜維，共有218個(gè)波段，光譜分辨率約10nm，空間分辨率約30m×30m。

2.4高光譜熱輻射分光計(jì)(HyTES)

在地球科學(xué)研究中，對(duì)大氣研究尤其是溫室氣體的研究更多采用短波紅外波段內(nèi)的數(shù)據(jù)，而長(zhǎng)波紅外波段內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)一般用于地表特征的研究。由NASA的“工具培育計(jì)劃”支持， JPL實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的高光譜熱輻射分光計(jì)(HyTES)就是一款采用量子阱探測(cè)器的長(zhǎng)波紅外(7.5μm～12μm)高光譜成像儀[7]。由于在長(zhǎng)波紅外波段Offner結(jié)構(gòu)體積巨大，并且需要大功耗用于光路制冷，因此HyTES采用的是Dyson分光結(jié)構(gòu)，比同樣F數(shù)的Offner結(jié)構(gòu)小數(shù)倍，能夠?qū)崿F(xiàn)大孔徑高質(zhì)量成像。由于Dyson結(jié)構(gòu)為折/反結(jié)構(gòu)，因此對(duì)Dyson模塊的材料有著較高的通透性要求，一般采用ZnSe制作，如圖4所示。

HyTES的狹縫由JPL專門采用負(fù)離子蝕刻技術(shù)加工，將以往約2μm的光譜彎曲和畸變降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。Dyson系統(tǒng)的凸面閃耀光柵由JPL在ZnSe基底上利用電子束印刷刻制技術(shù)制成，可以獲得幾毫米深的凹槽，可以提高衍射效率并減少離散光，同時(shí)將絕大部分衍射能量集中在-1級(jí)譜線[8]。

2.5機(jī)載大視場(chǎng)高光譜載荷MAKO

MAKO是一款應(yīng)用Dyson分光結(jié)構(gòu)的高光譜成像儀[9]，如圖5，設(shè)計(jì)用途為機(jī)載載荷，設(shè)計(jì)譜段為7.8μm～13.4μm，共計(jì)128個(gè)波段。Dyson結(jié)構(gòu)中的凹面球形光柵采用先進(jìn)的鉆石鏇切工藝制成，達(dá)到良好的分光效果。MAKO沒有采用全光路制冷，其前置光學(xué)系統(tǒng)在低溫箱之外，鏡片采用ZERODUR微晶玻璃，盡管沒有對(duì)光學(xué)系統(tǒng)做額外的無熱化設(shè)計(jì)，仍能保證鏡片間的距離不隨溫度變化，保證良好的成像效果。

2.6水星高光譜熱分光計(jì)(MERTIS)

水星高光譜熱分光計(jì)(MERTIS)是歐空局BepiColombo水星計(jì)劃的一部分，將搭乘BepiColombo探測(cè)器，預(yù)計(jì)2024年飛抵水星觀察軌道，開展對(duì)水星表面的觀測(cè)活動(dòng)[10]。如圖6，MERTIS高光譜載荷的獨(dú)特之處在于其使用的是一款7μm～14μm非制冷型紅外探測(cè)器，并且要求在較高的觀測(cè)軌道上能夠獲得高空間分辨率圖像，在其長(zhǎng)期的飛行過程和工作過程中，對(duì)非制冷型探測(cè)器的標(biāo)定、校正是保障探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵。

2.7快速高光譜載荷設(shè)計(jì)

戰(zhàn)術(shù)Ⅲ號(hào)(TacSat-3)衛(wèi)星是美國一顆軍用高光譜偵察衛(wèi)星，其上搭載的高光譜載荷主要用于對(duì)目標(biāo)的偵察和識(shí)別，并且能夠在幾分鐘內(nèi)完成戰(zhàn)場(chǎng)勘察和打擊評(píng)估[11]。海岸環(huán)境高光譜成像儀(HICO)搭載于國際空間站ISS，能夠同時(shí)達(dá)到很高的光譜分辨率(10nm)和空間分辨率(90m)[12]，并且配合國際空間站穩(wěn)定的周期運(yùn)行，定期對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)。

TacSat-3高光譜載荷和HICO高光譜載荷有一個(gè)共同特點(diǎn)是研制周期短與成本低廉，后者從確定技術(shù)指標(biāo)到具備發(fā)射狀態(tài)更是僅僅經(jīng)歷了16個(gè)月，要求開發(fā)團(tuán)隊(duì)具備對(duì)任務(wù)的快速響應(yīng)能力。能夠在周期短、成本低的條件下完成研制任務(wù)的關(guān)鍵，是采用了COTS模式，即在研制過程中使用商業(yè)級(jí)非定制產(chǎn)品，盡可能減少重復(fù)性的研制工作，盡可能利用軟件算法處理問題，減少硬件方面的改動(dòng)量。

隨著國際上高光譜成像技術(shù)的發(fā)展與各領(lǐng)域的應(yīng)用需求相互促進(jìn)、相互推動(dòng)，高光譜成像技術(shù)在光譜精度、空間分辨率、定標(biāo)的可靠性和一致性等技術(shù)能力上已能夠滿足實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的要求，并且在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮小型化、輕質(zhì)化、實(shí)時(shí)化的因素，擴(kuò)大高光譜成像的適用范圍，在航天、軍用、民用各領(lǐng)域?qū)で罂焖侔l(fā)展的機(jī)遇。

3 國內(nèi)高光譜成像技術(shù)研究成果

我國的高光譜成像技術(shù)研究在各重大科研項(xiàng)目的推動(dòng)下，也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在分光方式多樣性、空間和光譜分辨率、數(shù)據(jù)傳輸速度等方面都接近或達(dá)到國際先進(jìn)水平，只是在一些重要光學(xué)元件的加工生產(chǎn)工藝方面還有所不足，影響整體性能指標(biāo)。集合了眾多科研機(jī)構(gòu)的力量使得我國在航天高光譜遙感領(lǐng)域發(fā)展速度很快，如高分五號(hào)衛(wèi)星、碳衛(wèi)星等都是我國先進(jìn)高光譜成像技術(shù)的代表。

3.1高分五號(hào)

高分五號(hào)衛(wèi)星是我國第一顆高光譜綜合觀測(cè)衛(wèi)星，搭載有可見光/短波紅外高光譜相機(jī)、全譜段光譜成像儀、大氣主要溫室氣體監(jiān)測(cè)儀、大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測(cè)儀、大氣痕量氣體差分吸收光譜儀、大氣氣溶膠多角度偏振探測(cè)儀等載荷，具有高光譜分辨率、高精度、高靈敏度的觀測(cè)能力。衛(wèi)星載荷的多項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平，其中陸地高光譜探測(cè)空間分辨率最高可達(dá)30m，光譜分辨率達(dá)5nm，大氣探測(cè)最高光譜分辨率達(dá)0.03cm-1。預(yù)計(jì)衛(wèi)星成功入軌后，可為溫室氣體、區(qū)域空氣質(zhì)量、水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境、氣候變化、地礦資源等遙感檢測(cè)領(lǐng)域提供大量寶貴的研究素材。

大氣環(huán)境紅外甚高光譜分辨率探測(cè)儀是我國第一個(gè)星載超高光譜掩星探測(cè)載荷，采用太陽掩星探測(cè)方式，對(duì)地球大氣層8km～100km內(nèi)的大氣成分進(jìn)行高光譜分辨率、高信噪比和寬波段范圍的精細(xì)光譜探測(cè)。該高光譜探測(cè)儀旨在通過對(duì)地球大氣環(huán)境中溫室氣體和痕量氣體的成分和濃度的監(jiān)測(cè)，對(duì)氣候變化和大氣環(huán)境的研究提供有力支撐。

全譜段光譜成像儀能在可見光到長(zhǎng)波紅外的寬波段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)共計(jì)12個(gè)譜段的光譜成像，可對(duì)水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、國土資源進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)。為滿足寬譜段、高空間分辨率的要求，選用大相對(duì)孔徑、高傳函的設(shè)計(jì)思路，通過組合濾光片和線列紅外探測(cè)器的無縫拼接，實(shí)現(xiàn)了全波段的探測(cè)。

3.2碳衛(wèi)星

碳衛(wèi)星搭載有高光譜CO2探測(cè)儀，在760nm，1 610nm，2 060nm三個(gè)CO2的特征波段對(duì)其進(jìn)行高精度觀測(cè)，綜合得出大氣中CO2的濃度和分布情況，為我國溫室氣體研究提供第一手資料。CO2探測(cè)儀在研制過程中解決了三波段的光譜色散空間配準(zhǔn)問題、激光散斑效應(yīng)問題、響應(yīng)度計(jì)算模型問題等測(cè)量和標(biāo)定難題，在三個(gè)波段中分別達(dá)到0.04nm、0.12nm、0.16nm的光譜分辨率，確保測(cè)量結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性。

我國的高光譜成像技術(shù)在星載、機(jī)載等各平臺(tái)，遙感、地礦勘探、大氣監(jiān)測(cè)等各領(lǐng)域，都已經(jīng)取得了成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)也接近或達(dá)到國際先進(jìn)水準(zhǔn)，能夠滿足高分辨率要求的科學(xué)研究需求。為尋求更多的應(yīng)用機(jī)會(huì)，未來在核心器件的加工工藝、定標(biāo)精度的可靠性和一致性、小型化和輕質(zhì)化、數(shù)據(jù)處理和傳輸速度等方面的技術(shù)突破，都將為高光譜成像技術(shù)帶來更大的市場(chǎng)機(jī)遇。

4 凝視型高光譜成像

在星載或機(jī)載的搭載平臺(tái)上，推掃式高光譜成像裝置能夠利用平臺(tái)自身位移作為沿軌方向的運(yùn)動(dòng)，配合色散型分光結(jié)構(gòu)形成了一套很成熟的高光譜成像方式，而為獲得更好的成像質(zhì)量以及對(duì)目標(biāo)區(qū)域的持續(xù)觀察能力，尤其無人機(jī)等小型搭載平臺(tái)的廣闊前景，發(fā)展凝視型高光譜成像技術(shù)是必然的趨勢(shì)。

目前凝視型高光譜成像儀一般采用可調(diào)諧濾光片的分光方式，如AOTF高光譜成像儀，已經(jīng)成功應(yīng)用于歐空局的“火星快車”上搭載的SPICAM成像儀和我國“嫦娥Ⅲ號(hào)”玉兔月球車AOTF高光譜載成像儀，通過AOTF器件對(duì)成像波段光譜進(jìn)行選擇，實(shí)現(xiàn)凝視探測(cè)方式的高光譜成像?，F(xiàn)階段的凝視型高光譜成像技術(shù)受困于可調(diào)諧晶體的限制，僅在可見光到短波紅外的范圍內(nèi)有優(yōu)秀的分光表現(xiàn)，需要較長(zhǎng)的凝視時(shí)間，并且難以做到較大的視場(chǎng)角。為解決這些問題，凝視型高光譜成像技術(shù)需要透過譜段范圍更廣的調(diào)諧晶體或者新的分光方式，并且結(jié)合微透鏡技術(shù)和計(jì)算成像等先進(jìn)光學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)實(shí)時(shí)成像，才能得到更具實(shí)用價(jià)值的成像裝置。

基于AOTF分光方式，研制開發(fā)了中紅外可調(diào)諧高光譜成像儀，將分光器件的分光波段擴(kuò)展到中紅外3.7μm～4.5μm，實(shí)現(xiàn)約50nm的光譜分辨率。AOTF分光器件，即聲光可調(diào)諧濾光器，其核心是利用TeO2晶體的優(yōu)良聲光特性來實(shí)現(xiàn)對(duì)透射光的篩選，射頻驅(qū)動(dòng)器功率設(shè)計(jì)、換能器形狀設(shè)計(jì)、晶體生長(zhǎng)工藝等技術(shù)都對(duì)AOTF器件的性能有著很大影響，尤其是在晶體透過率較低的中波紅外波段，如何同時(shí)提高衍射效率與光譜分辨率，是解決實(shí)際應(yīng)用問題的關(guān)鍵。目前國外有美國Brimrose公司、英國Goochamp;Housego公司等具有成熟的中波紅外波段AOTF器件產(chǎn)品，國內(nèi)僅重慶聲光電研究所近期研制成功中紅外AOTF器件。該中紅外可調(diào)諧高光譜成像儀最終選擇國產(chǎn)研制的10mm孔徑AOTF器件，結(jié)合制冷型探測(cè)器和上位機(jī)形成一套高光譜成像系統(tǒng)，如圖7所示。

光學(xué)系統(tǒng)采用二次成像方式，AOTF器件放置于一次像面，出射光經(jīng)過會(huì)聚鏡組成像在探測(cè)器焦平面上。由于AOTF器件對(duì)入射光的孔徑角有比較嚴(yán)格的限制，并且為將器件孔徑利用率達(dá)到最大，提高透過光能強(qiáng)度，綜合考慮，前置鏡組采用像方遠(yuǎn)心系統(tǒng)，如圖8所示，最終視場(chǎng)角約為±5°。AOTF器件出射光角度與目前較通用的中紅外制冷型探測(cè)器的冷光闌設(shè)計(jì)配合度較差，為達(dá)到制冷型探測(cè)器100%冷光闌效率在焦平面上得到的像面較小，因此最終選擇320×256像元數(shù)量的探測(cè)器。

與推掃型相比，凝視型AOTF中紅外高光譜成像儀節(jié)省了幾何校正的設(shè)備空間和計(jì)算時(shí)間，并且在探測(cè)器非均勻性校正算法處理方面也相對(duì)簡(jiǎn)單，與普通紅外熱像儀類似，無需進(jìn)行譜間校正。凝視型的AOTF高光譜成像儀在復(fù)雜地物背景下的特征目標(biāo)識(shí)別方面具備優(yōu)勢(shì)，小型化結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)機(jī)載、彈載等多類搭載環(huán)境，將具有豐富的應(yīng)用前景。

5 結(jié)束語

從空間到地面，高光譜成像技術(shù)在深空外星探索、地礦勘探、大氣和水環(huán)境監(jiān)測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)偵察和評(píng)估等方面，都已經(jīng)成為一種重要的探測(cè)手段，相信隨著定標(biāo)一致性和可靠性、成像實(shí)時(shí)性、裝置小型化、輕質(zhì)化水平的進(jìn)步，高光譜成像技術(shù)將會(huì)迎來更廣闊的應(yīng)用空間。

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ApplicationandDevelopmentofHyperspectralImagingTechnology

ZHOU Yang YANG Hong-hai LIU Yong LIN Sen

(Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology, Beijing 10007,China)

Several advanced foreign hyperspectral imaging loads, as well as the hyperspectral imagers in GF-5 are introduced, which have been widely used in resource prospecting and environment monitoring, for the great progress of spectral resolution, spatial resolution and imaging quality. The features of Offner push-broom imagers and Dyson push-broom imagers are analysed while the staring-type hyperspectral imagers are expected to play an important role in the future. A kind of MIR hyperspectral imager based on acousto-optic tunable filter(AOTF) is introduced, which provides satisfactory spectral and spatial effect.

Hyperspectral Imaging Offner structure Dyson structure Staring-type

2017-02-17，

2017-03-02

周陽(1991-)，男，主要研究方向：光譜成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)及圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1000-7202(2017) 04-0025-05

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.04.06

O433.4

A