高光谱成像仪的不同类型及作用

高光谱成像仪可以按照多种不同的特性进行分类。作为融合成像技术和光谱技术的综合性仪器，我们可以根据其工作波段、分光方式、扫描方式和工作高度等特点来进行分类。本文将详细介绍不同类型的高光谱成像仪，并提供给对高光谱知识感兴趣的朋友一个了解的机会。

高光谱成像仪是一种能够捕捉多波长光谱信息的仪器。它可以同时获取目标物体的某个区域的光谱特征，并通过分析光谱数据来获取目标物体的化学成分、结构、形态等信息。高光谱成像仪广泛应用于农业、环境监测、地质勘探、遥感等领域。它的使用能够提供更多丰富的光谱信息，为科学研究和实际应用提供了更多的可能性。

按照工作频段的不同进行分类：

根据成像光谱仪的波段特性可以进行分类，主要包括紫外、可见、近红外、中红外和远红外等几个波段，不同波段的应用也各有特点。紫外波段通常用于观测星体和电晕放电等方面，因为它可以观测到星体发出的辐射和电晕放电所剥离的原子电子。可见光波段是人眼所能接受的波段，常用于植被和水色的监测以及探测研究。红外波段主要用于热温差成像，常用于地温反演、目标打击效果评估和军事侦察等方面。

根据分光方式的不同进行分类：

光谱成像技术可以根据分光元件的分光方式及数据重构理论分为四种类型：色散型、干涉型、滤光片型和计算成像型。

色散型成像光谱仪的分光技术包括棱镜分光和光栅分光。滤光片型成像光谱仪则使用滤光片作为分光元件，种类多样，例如滤光片轮、滤光片阵列、线性渐变滤光片、光楔滤光片等。此外还有两种经典的调谐型滤光器，即声光可调谐滤光片（AOTF）和液晶可调谐滤光片（LCTF）。这两种技术都可以直接提取目标的空间信息和光谱信息，无需进行其他数据的转换和重构，但只能获得二维数据（包括光谱和一维空间信息），需要进行另一个维度的扫描才能获取第二维空间信息并形成数据立方。

成像光谱技术，亦称干涉型光谱成像技术，可根据探测模式分为时间调制、空间调制和时空调制三类。它主要基于波动光学的相干成像原理，通过获取干涉图像来获得探测目标的信息，然后需要进行傅里叶逆变换才能得到光谱信息和空间图像。该方法获得的数据是二维的，需要进行另一维度的扫描才能得到数据立方体。

成像光谱技术主要有三种类型，分别是计算层析型、光场成像型和孔径编码成像型。它们可以直接获得三维数据立方体，通常的方法是将目标的三维信息投影到二维探测器上，然后通过相应的重构方法来获取空间信息和光谱信息。

根据扫描方式的不同，可以将其进行分类：

根据采集三维数据立方的扫描方式可以分为摆动扫描式、推动扫描式和凝视扫描式。

光谱成像系统的摆扫式采用了线阵探测器，通过在轨道和穿越轨道两个方向上进行扫描，以获得完整的二维空间信息。其中，穿越轨道通常使用扫描镜来实现。这种扫描方式可以即时获取目标点的线阵光谱信息，通常应用于机载平台。它具有视场范围宽广，定标方便，数据信息稳定性好的优点，但曝光时间短，进入探测器的能量较少，因此信噪比较低。

摆扫式

推扫式光谱成像系统运用了阵列式探测器，该探测器自身完成了沿垂直飞行方向的扫描，获取了空间中一维线视场的空间信息。同时，利用飞行器的运动完成了沿轨迹方向的扫描，实现了获取二维空间信息。在阵列探测器的第二维中获得了线视场的光谱信息。相较于摆动扫描方式，这种扫描方式在信噪比方面有了显著提高，且不需要机械扫描，在色散型和干涉型成像光谱仪中具有广泛适用性。

推扫式

该凝视式光谱成像系统使用面阵探测器，能够在飞行器移动时对固定窗口目标进行成像。它通过滤光的方式将不同波段的图像信息分离并获取，然后将这些不同波段的图像堆叠成为一个“数据立方”。该系统仅适用于可调谐滤光片型和新型的快照式成像光谱仪。

凝视式

根据工作的不同高度分类：

高光谱成像仪的工作高度不同，相机也可以分为中低空、中空和中高空。不同的工作高度需要不同的前置望远成像系统焦距范围来适应。

中低空作业的工作高度介于200米到4000米之间，焦距一般较短，通常不超过300mm。由于光学系统的工作高度较低，载机自身较容易受到攻击，因此，侦察类高光谱相机主要用于评估目标的打击效果分析。

中空作业是一种工作范围在三千米到一万米之间的任务。它使用的焦距范围为300至1000毫米，并且通常采用倾斜或垂直的成像方式。主要用于侦察地面或海面上的固定目标和活动目标。

中高空作业的工作范围是在8000米到25000米之间，焦距通常为1000到3000毫米，成像方式一般采用倾斜模式，主要用于从高空侦察地面或海面上的目标。

在中空和中高空作业中，航空相机由于工作高度较高，对地面目标的成像距离较远，因此具备了较强的载机自身生存能力，同时在应用领域上也更加广泛。