高光譜成像技術的應用與發展

周 陽 楊宏海 劉 勇 林 森

(北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

高光譜成像技術的應用與發展

周 陽 楊宏海 劉 勇 林 森

(北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

介紹了國外先進高光譜成像載荷發展情況和國內以高分五號載荷為代表的高光譜成像技術發展水平，憑借在光譜分辨率、空間分辨率、成像質量等方面取得的長足進步，廣泛應用于資源勘探和環境監測等多個重要領域。分析了Offner結構和Dyson結構的推掃型成像儀的特點，提出未來凝視型成像方式的發展前景，并介紹了目前基于AOTF分光方法的中紅外高光譜成像儀，實現了較好的光譜成像效果。

高光譜 成像 Offner結構 Dyson結構 凝視型

1 引 言

20世紀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方式下，既獲得觀察區域的空間圖像，又可以根據光譜數據分析觀察區域的物質組成。隨著分光結構和元件的進步，以及光學探測技術的愈加先進，成像光譜儀的光譜分辨力能夠達到納米級，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技術成為遙感領域的新寵，對氣候變化、資源勘探、環境監測等方面的進步起著極大的推動作用。

2 國際高光譜成像技術發展熱潮

高光譜成像技術在國外經歷了數十年的發展與積累，形成了豐富的產品種類與成熟、快速的開發模式。目前經過實際應用考驗的高光譜成像儀，從分光結構的角度分類，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波紅外，廣泛應用于各類機載載荷以及遙感衛星，并且其快速商業開發模式也成功應用于航天領域，大大降低航天產品的開發周期和成本。

2.1小型火星高光譜勘測載荷(CRISM)

美國在2005年發射的火星軌道勘測器(MRO)旨在通過遙測手段在火星表面尋找液態水存在的痕跡，通過其搭載的小型火星高光譜勘測載荷CRISM對火星表面數千個關鍵位置進行觀察，獲得高空間分辨率、高光譜分辨率、高信噪比的圖像數據，除了尋找液態水的證據，還可以用于對火星地表礦物成分、兩極冰蓋的變化、大氣成分季節性變化等的科學研究[1,2]。如圖1，CRISM覆蓋波段為383nm～3 960nm，其可見光探測器(383nm～1 071nm)和短波紅外探測器(988nm～3 960nm)的面陣像元數都為640×480，分光方式都采用Offner結構的光柵分光方法，在可見光波段光譜分辨率達到6.55nm，在紅外波段達到6.63nm，空間分辨率低于20m。在掃描機構的設計方面，CRISM的沿軌運動方向添加了回掃機構，從而提高積分時間，增加信噪比。

2.2超小型高光譜成像儀(UCIS)

美國JPL實驗室研發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、月球車等各種探測平臺，可以輕易地安裝在火星車桅桿上探測地表成分并引導火星車對重要礦物進行重點觀察[3]。UCIS的光學結構為與M3月球測繪器相同的光柵分光Offner結構，但由于在火星車上探測可以適當調整掃描速度，因此可以通過增加積分時間從而減小光學結構體積，并且減少狹縫長度和前置望遠系統鏡片數量同樣降低結構尺寸，最終得到了超小型的設計結果，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制成，并且區別于以往的鋸齒狀刻痕，采用一種改良的凹槽設計，使其能夠在一級衍射光內有效覆蓋全部波段(600nm～2600nm)，且在太陽輻照強度較低的短波紅外波段具有較高的衍射效率，以平衡整體光能強度。

2.3環境測繪與分析計劃EnMAP

環境測繪與分析計劃(EnMAP)是德國地球遙感計劃的一部分，在可見光到短波紅外波段內提供高質量、標準化的高光譜圖像數據[4][5]。光柵衍射分光的方法受困于其衍射效率低，在對大波段范圍探測時問題尤為凸顯，此外光柵分光對光線偏振的靈敏度過高，并且在高級次衍射中出現的鬼像要求系統添加額外的濾光鏡。如圖3所示，針對光柵分光的這些問題，EnMAP采用Fery曲面棱鏡的Offner分光結構，完美規避了這些缺陷，并且解決了普通棱鏡光譜彎曲、畸變大，色散非線性嚴重等問題[6]。

EnMAP在可見-近紅外波段采用1024×512的CCD探測器，在短波紅外波段采用1024×256的MCT探測器，1024像元方向為狹縫方向，即一維空間圖像方向，另一個方向是光譜維，共有218個波段，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(HyTES)

在地球科學研究中，對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的數據，而長波紅外波段內采集到的數據一般用于地表特征的研究。由NASA的“工具培育計劃”支持， JPL實驗室研發的高光譜熱輻射分光計(HyTES)就是一款采用量子阱探測器的長波紅外(7.5μm～12μm)高光譜成像儀[7]。由于在長波紅外波段Offner結構體積巨大，并且需要大功耗用于光路制冷，因此HyTES采用的是Dyson分光結構，比同樣F數的Offner結構小數倍，能夠實現大孔徑高質量成像。由于Dyson結構為折/反結構，因此對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專門采用負離子蝕刻技術加工，將以往約2μm的光譜彎曲和畸變降低了一個數量級。Dyson系統的凸面閃耀光柵由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，同時將絕大部分衍射能量集中在-1級譜線[8]。

2.5機載大視場高光譜載荷MAKO

MAKO是一款應用Dyson分光結構的高光譜成像儀[9]，如圖5，設計用途為機載載荷，設計譜段為7.8μm～13.4μm，共計128個波段。Dyson結構中的凹面球形光柵采用先進的鉆石鏇切工藝制成，達到良好的分光效果。MAKO沒有采用全光路制冷，其前置光學系統在低溫箱之外，鏡片采用ZERODUR微晶玻璃，盡管沒有對光學系統做額外的無熱化設計，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(MERTIS)

水星高光譜熱分光計(MERTIS)是歐空局BepiColombo水星計劃的一部分，將搭乘BepiColombo探測器，預計2024年飛抵水星觀察軌道，開展對水星表面的觀測活動[10]。如圖6，MERTIS高光譜載荷的獨特之處在于其使用的是一款7μm～14μm非制冷型紅外探測器，并且要求在較高的觀測軌道上能夠獲得高空間分辨率圖像，在其長期的飛行過程和工作過程中，對非制冷型探測器的標定、校正是保障探測結果準確性和可靠性的關鍵。

2.7快速高光譜載荷設計

戰術Ⅲ號(TacSat-3)衛星是美國一顆軍用高光譜偵察衛星，其上搭載的高光譜載荷主要用于對目標的偵察和識別，并且能夠在幾分鐘內完成戰場勘察和打擊評估[11]。海岸環境高光譜成像儀(HICO)搭載于國際空間站ISS，能夠同時達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定的周期運行，定期對目標區域進行觀測。

TacSat-3高光譜載荷和HICO高光譜載荷有一個共同特點是研制周期短與成本低廉，后者從確定技術指標到具備發射狀態更是僅僅經歷了16個月，要求開發團隊具備對任務的快速響應能力。能夠在周期短、成本低的條件下完成研制任務的關鍵，是采用了COTS模式，即在研制過程中使用商業級非定制產品，盡可能減少重復性的研制工作，盡可能利用軟件算法處理問題，減少硬件方面的改動量。

隨著國際上高光譜成像技術的發展與各領域的應用需求相互促進、相互推動，高光譜成像技術在光譜精度、空間分辨率、定標的可靠性和一致性等技術能力上已能夠滿足實際應用環境的要求，并且在設計時充分考慮小型化、輕質化、實時化的因素，擴大高光譜成像的適用范圍，在航天、軍用、民用各領域尋求快速發展的機遇。

3 國內高光譜成像技術研究成果

我國的高光譜成像技術研究在各重大科研項目的推動下，也取得了長足的進步，在分光方式多樣性、空間和光譜分辨率、數據傳輸速度等方面都接近或達到國際先進水平，只是在一些重要光學元件的加工生產工藝方面還有所不足，影響整體性能指標。集合了眾多科研機構的力量使得我國在航天高光譜遙感領域發展速度很快，如高分五號衛星、碳衛星等都是我國先進高光譜成像技術的代表。

3.1高分五號

高分五號衛星是我國第一顆高光譜綜合觀測衛星，搭載有可見光/短波紅外高光譜相機、全譜段光譜成像儀、大氣主要溫室氣體監測儀、大氣環境紅外甚高光譜分辨率探測儀、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儀等載荷，具有高光譜分辨率、高精度、高靈敏度的觀測能力。衛星載荷的多項指標達到國際先進水平，其中陸地高光譜探測空間分辨率最高可達30m，光譜分辨率達5nm，大氣探測最高光譜分辨率達0.03cm-1。預計衛星成功入軌后，可為溫室氣體、區域空氣質量、水環境和生態環境、氣候變化、地礦資源等遙感檢測領域提供大量寶貴的研究素材。

大氣環境紅外甚高光譜分辨率探測儀是我國第一個星載超高光譜掩星探測載荷，采用太陽掩星探測方式，對地球大氣層8km～100km內的大氣成分進行高光譜分辨率、高信噪比和寬波段范圍的精細光譜探測。該高光譜探測儀旨在通過對地球大氣環境中溫室氣體和痕量氣體的成分和濃度的監測，對氣候變化和大氣環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波紅外的寬波段范圍內實現共計12個譜段的光譜成像，可對水環境、生態環境、國土資源進行綜合監測。為滿足寬譜段、高空間分辨率的要求，選用大相對孔徑、高傳函的設計思路，通過組合濾光片和線列紅外探測器的無縫拼接，實現了全波段的探測。

3.2碳衛星

碳衛星搭載有高光譜CO2探測儀，在760nm，1 610nm，2 060nm三個CO2的特征波段對其進行高精度觀測，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探測儀在研制過程中解決了三波段的光譜色散空間配準問題、激光散斑效應問題、響應度計算模型問題等測量和標定難題，在三個波段中分別達到0.04nm、0.12nm、0.16nm的光譜分辨率，確保測量結果的可靠性和穩定性。

我國的高光譜成像技術在星載、機載等各平臺，遙感、地礦勘探、大氣監測等各領域，都已經取得了成功的應用經驗，各項技術指標也接近或達到國際先進水準，能夠滿足高分辨率要求的科學研究需求。為尋求更多的應用機會，未來在核心器件的加工工藝、定標精度的可靠性和一致性、小型化和輕質化、數據處理和傳輸速度等方面的技術突破，都將為高光譜成像技術帶來更大的市場機遇。

4 凝視型高光譜成像

在星載或機載的搭載平臺上，推掃式高光譜成像裝置能夠利用平臺自身位移作為沿軌方向的運動，配合色散型分光結構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量以及對目標區域的持續觀察能力，尤其無人機等小型搭載平臺的廣闊前景，發展凝視型高光譜成像技術是必然的趨勢。

目前凝視型高光譜成像儀一般采用可調諧濾光片的分光方式，如AOTF高光譜成像儀，已經成功應用于歐空局的“火星快車”上搭載的SPICAM成像儀和我國“嫦娥Ⅲ號”玉兔月球車AOTF高光譜載成像儀，通過AOTF器件對成像波段光譜進行選擇，實現凝視探測方式的高光譜成像?，F階段的凝視型高光譜成像技術受困于可調諧晶體的限制，僅在可見光到短波紅外的范圍內有優秀的分光表現，需要較長的凝視時間，并且難以做到較大的視場角。為解決這些問題，凝視型高光譜成像技術需要透過譜段范圍更廣的調諧晶體或者新的分光方式，并且結合微透鏡技術和計算成像等先進光學技術，實現大視場實時成像，才能得到更具實用價值的成像裝置。

基于AOTF分光方式，研制開發了中紅外可調諧高光譜成像儀，將分光器件的分光波段擴展到中紅外3.7μm～4.5μm，實現約50nm的光譜分辨率。AOTF分光器件，即聲光可調諧濾光器，其核心是利用TeO2晶體的優良聲光特性來實現對透射光的篩選，射頻驅動器功率設計、換能器形狀設計、晶體生長工藝等技術都對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，如何同時提高衍射效率與光譜分辨率，是解決實際應用問題的關鍵。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器件產品，國內僅重慶聲光電研究所近期研制成功中紅外AOTF器件。該中紅外可調諧高光譜成像儀最終選擇國產研制的10mm孔徑AOTF器件，結合制冷型探測器和上位機形成一套高光譜成像系統，如圖7所示。

光學系統采用二次成像方式，AOTF器件放置于一次像面，出射光經過會聚鏡組成像在探測器焦平面上。由于AOTF器件對入射光的孔徑角有比較嚴格的限制，并且為將器件孔徑利用率達到最大，提高透過光能強度，綜合考慮，前置鏡組采用像方遠心系統，如圖8所示，最終視場角約為±5°。AOTF器件出射光角度與目前較通用的中紅外制冷型探測器的冷光闌設計配合度較差，為達到制冷型探測器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像元數量的探測器。

與推掃型相比，凝視型AOTF中紅外高光譜成像儀節省了幾何校正的設備空間和計算時間，并且在探測器非均勻性校正算法處理方面也相對簡單，與普通紅外熱像儀類似，無需進行譜間校正。凝視型的AOTF高光譜成像儀在復雜地物背景下的特征目標識別方面具備優勢，小型化結構能夠適應機載、彈載等多類搭載環境，將具有豐富的應用前景。

5 結束語

從空間到地面，高光譜成像技術在深空外星探索、地礦勘探、大氣和水環境監測、戰場偵察和評估等方面，都已經成為一種重要的探測手段，相信隨著定標一致性和可靠性、成像實時性、裝置小型化、輕質化水平的進步，高光譜成像技術將會迎來更廣闊的應用空間。

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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：光譜成像系統設計及圖像處理系統設計。

1000-7202(2017) 04-0025-05

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.04.06

O433.4

A