二、高光谱遥感成像机理与成像光谱仪

1二、高光谱遥感成像机理与成像光谱仪2.1基本概念2.2高光谱遥感成像特点2.3高光谱遥感图像数据表达2.4高光谱遥感成像关键技术2.5成像光谱仪的空间成像技术2.6成像光谱仪的光谱成像技术2.7成像光谱仪系统介绍张兵中国科学院对地观测与数字地球科学中心E-mail:[e-mail]遥感成像技术的发展一直伴随着两方面的进步:一是通过减小遥感器的瞬时视场角（InstantaneousFieldOfView,IFOV）而提高遥感图像的空间分辨率(SpatialResolution)；二是通过增加波段数量和减小每个波段的带宽，来提高遥感图像的光谱分辨率（SpectralResolution）。2.1基本概念光谱学Spectroscopy成像技术Imagingtechnology成像光谱学Imagingspectrometry3（1）光谱响应函数（SpectralResponse）：2.1基本概念MODIS,CBERS,TM前4个波段光谱响应函数比较00.20.40.60.81350450550650750850950波长（nm）光谱响应MODIS1MODIS2MODIS3MODIS4CBERS2CCD1CBERS2CCD2CBERS2CCD3CBERS2CCD4Landsat5TM1Landsat5TM2Landsat5TM3Landsat5TM4∫=maxmin)()(λλλλλdfLL入射接收)(λf：光谱响应函数4（2）光谱分辨率（SpectralResolution）：仪器在达到50%光谱响应时在波长方向的宽度（Bandwidth）。2.1基本概念5（3）探测器凝视时间（DwellTime）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。（4）光谱采样间隔（SpectralSamplingInterval）相邻波段通道的光谱峰值响应点间的波长间隔。（5）对比度（ContrastRatio,CR）CR=Bmax/Bmin,brightnessscale:0~102.1基本概念6（6）调制传递函数(MTF):2.1基本概念调制度M定义如下：M=(Imax－Imin)/(Imax＋Imin)空间频率低高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(ModulationTransferFunction)。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M’，则成像系统的MTF函数值为：MTF值=M’/M空间频率:线对/毫米(lp/mm)正弦光栅正弦信号2.1基本概念7（6）调制传递函数(MTF):NEXTMTF总=MTF1·MTF2……MTFn系统的MTF总:2.1基本概念8（7）空间分辨率(SpatialResolution):仪器的角分辨力（AngularResolvingPower）由仪器的瞬时视场角（InstantaneousFieldofView,IFOV）决定，IFOV以毫弧度（mrad）为计量单位。IFOV所对应的地面大小被称为地面分辨单元（GroundResolutionCell）。2.1基本概念rLαradrL=α根据瞬时视场角和遥感器距地面高度计算图像空间分辨率：GR=2×tg(IFOV/2)×altitude9（7）空间分辨率(SpatialResolution):2.1基本概念mradradIFOV110001==距离r=1000mmL=1mm10mm角分辨力＝1mrad距离1米，5线对/厘米（line-pairs·cm-1）2.1基本概念102.1基本概念（8）遥感器视场角（AngularFieldofView，FOV）：FOV＋H地面扫描幅宽（GroundSwath，GS）。GS=tan(FOV/2)×altitude×2FOV2.1基本概念2.1基本概念112.1基本概念（9）遥感器行扫描速率ν（line/s）：飞机最高飞行地速要求：V像元分辨率×遥感器行扫描速率≤2.1基本概念2.1基本概念12（10）信噪比(SNR):信噪比是遥感器采集到的信号和噪声的比,信噪比和图像的空间分辨率、光谱分辨率是相互制约的。2.1基本概念TXfADDVVTDaNsΔΔ=∗4020λτωτ率。为光学系统的平均透过为大气的平均透过率，角，为系统的瞬时视场立体效口径，为成像仪光学系统的有00ττωaD。为系统电子学噪声带宽为探测器的光敏面，探测器的探测率，fADDΔ∗λXT为光谱段积分ΔT为时间积分噪声来源：光子噪声（Photonnoise）探测器噪声（Detectornoise）后探测器电子噪声（Postdetectorelectronicnoise）2.1基本概念2.1基本概念132.1基本概念2.1基本概念模拟不同信噪比条件下的高岭石矿物光谱曲线2.1基本概念142.2高光谱遥感成像特点高光谱遥感的突出特点：（1）高光谱分辨率成像光谱仪：与地面光谱辐射计相比，成像光谱仪不是在“点”上的光谱测量，而是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，其光谱通道不是离散而是连续的，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。152.2高光谱遥感成像特点高光谱遥感的突出特点：（2）图谱合一成像光谱仪光谱辐射计成像辐射计成像光谱辐射计成像光谱辐射计空间信息（成像仪）光谱信息（光谱仪）辐射信息（辐射计）162.2高光谱遥感成像特点高光谱遥感的突出特点：（3）光谱通道多，在某一光谱段范围内连续成像172.3高光谱遥感图像数据表达（1）光谱图像立方体Y轴X轴Z轴空间平面：O-XY平面线光谱平面：O-XZ，O-YZ平面182.3高光谱遥感图像数据表达（2）二维光谱曲线（3）三维光谱曲面x/y切线192.4高光谱遥感成像关键技术（1）探测器焦平面技术光电探测器（CCD）类型：线阵探测器和面阵探测器可见光－近红外波段探测器：Si近红外波段探测器：InGaAs（砷镓铟）短波红外波段探测器：InSb(锑化铟)，PbS（硫化铅）中红外波段探测器：InSb(锑化铟)热红外波段探测器：HgCdTe（碲铬汞）InSb需要制冷到77K环境温度，HgCdTe需要制冷到120K环境温度。202.4高光谱遥感成像关键技术（1）探测器焦平面技术Photons(hν)TransparentelectrodeDetectorarraySiliconCCDMultiplexerIndiumsolderbumps（铟）Hybrid-focal-planebondingtechniques混合焦平面焊接技术212.4高光谱遥感成像关键技术遥感器的光谱响应与下列因素有关:（1）能量流(EnergyFlux),指从地面反射或辐射进入探测器的能量总和。（2）平台高度，对于给定的地面分辨单元来说，进入仪器的能量与平台高度成反比。（3）光谱分辨率，光谱通道越宽，即光谱分辨率越低，探测器接收的信号越强。（4）瞬时视场角（IFOV），探测器元件（Element）的物理尺寸和扫描光学系统的焦距决定了IFOV，而IFOV越小，其光谱响应也越弱。（5）探测器凝视时间（DwellTime），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，其大小为行扫描时间与每行像元数的比值。凝视时间越长，进入探测器的能量越多，光谱响应也就越强。222.4高光谱遥感成像关键技术（2）光学分光技术光栅分光光谱仪；傅里叶变换光谱仪、渐变滤光片光谱仪、旋转滤光片轮光谱仪和声光调制器光谱仪等。（3）高速数据采集、传输、记录和实时无损数据压缩技术（4）成像光谱仪光谱与辐射定标技术（5）成像光谱信息处理技术232.5成像光谱仪的空间成像方式（1）摆扫型成像光谱仪(Whiskbroom)摆扫型成像光谱仪由光机左右摆扫和飞行平台向前运动完成二维空间成像，其线列探测器完成每个瞬时视场像元的光谱维获取。24摆扫型成像光谱仪的优点：（1）FOV大；（2）像元配准好；（3）探测元件定标方便，数据稳定性好；（4）进入物镜后再分光，光谱波段范围可以做得很宽。摆扫型成像光谱仪的不足之处：像元凝视时间短，提高光谱和空间分辨率以及信噪比相对困难。2.5成像光谱仪的空间成像方式252.5成像光谱仪的空间成像方式（2）推扫型成像光谱仪（Pushbroom）推扫型成像光谱仪采用一个面阵探测器，其垂直于运动方向在飞行平台向前运动中完成二维空间扫描；平行于平台运动方向，通过光栅和棱镜分光，完成光谱维扫描。26推扫型成像光谱仪的优点：（1）像元凝视时间大大增加，有利于提高系统的空间分辨率和光谱分辨率；（2）没有光机扫描机构，仪器的体积小。推扫型成像光谱仪的不足:（1）FOV增大困难；（2）面阵CCD器件标定困难；（3）大面阵的短波和红外探测器研制仍是一个技术难点。2.5成像光谱仪的空间成像方式27前置光学分色成像光电转换前置光学干涉成像光电转换干涉图像立方体光谱图像立方体色散型成像光谱仪干涉型成像光谱仪FFT光谱图像立方体ΔLλ2.6成像光谱仪的光谱成像方式28（1）棱镜、光栅色散型成像光谱仪2.6成像光谱仪的光谱成像方式glassprismspectrometerGratingspectrometer光栅探测器狭缝准直镜成像镜衍射光栅29FFT-10-50510ΔL:光程差[mm]INTENSITYINTERFEROGRAM500550600650700750800WAVELENGTH[nm]SPECTRUML1L2L=L1-L2ΔCCD2.6成像光谱仪的光谱成像方式（2）干涉型成像光谱仪(FourierImagingInterferometer)30迈克尔逊干涉仪相干辐射在探测器上产生的光强Ι(δ)为：入射辐射函数B(σ)与干涉图E(δ)之间存在傅立叶余弦变换关系最大值光程差δmax决定仪器的光谱分辨率:2.6成像光谱仪的光谱成像方式（2）干涉型成像光谱仪(FourierImagingInterferometer)2G1G2M1M'1M312.6成像光谱仪的光谱成像方式(1)时间调制干涉成像光谱仪（动镜型干涉成像光谱仪）：对干涉图完成采样需要动镜运动一个完整周期，不适宜快速变化目标光谱测量。32(2)空间调制干涉成像光谱仪：克服对运动部件的要求，形成静态光谱成像。2.高光谱遥感成像技术——光谱成像三角共路型干涉成像光谱仪332.6成像光谱仪的光谱成像方式色散型：波长λV=1/λ干涉型：波数ν色散型与干涉型光谱分辨率转换μm(λ)cm-1(ν)0.5200001.01000010.01000波数分辨率Δν：cm-1λνλλ−Δ−=Δ11当Δv=100时，Δλ400nm=1/(1/400-100×10-7)-400≈1.6nmΔλ800nm=1/(1/800-100×10-7)-800≈6.5nmΔλ2000nm=1/(1/2000-100×10-7)-2000≈41nm2λνλ×Δ=ΔλλλνΔ+−=Δ11342.6成像光谱仪的光谱成像方式光通量大、光谱分辨率高、体积小；需要极高精度的光学设计和装校；数据定标、处理与应用具有特殊性。目前主要应用：红外低空间分辨率大区域大气成分探测非成像方式热红外甚高光谱分辨率光谱探测干涉型成像光谱仪特点：35空间外差光谱（SpatialHeterodyneSpectroscopy－SHS）技术是20世纪70年代提出概念到90年代因技术条件的进步而快速发展起来的一种新型高光谱探测技术。SHS综合了光栅及无动镜剪切干涉仪技术于一体，同时具有了干涉仪的高通量和光栅空间衍射特点，并在大气物质吸收波长中心范围探测，可以获得空前高的光谱分辨率，也可以通过成像系统获得一维空间图像。应用于整层大气中水汽含量及其垂直分布，以及O3、NO、OH自由基及许多微量成分的探测。2.6成像光谱仪的光谱成像方式362.6成像光谱仪的光谱成像方式第一代第一代SHSSHS－－SHIMMERSHIMMER（（19941994））308nm处光谱分辨率0.02nm。37航空成像