高光谱成像技术的应用与发展

周 阳 杨宏海 刘 勇 林 森

(北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

高光谱成像技术的应用与发展

周 阳 杨宏海 刘 勇 林 森

(北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

介绍了国外先进高光谱成像载荷发展情况和国内以高分五号载荷为代表的高光谱成像技术发展水平，凭借在光谱分辨率、空间分辨率、成像质量等方面取得的长足进步，广泛应用于资源勘探和环境监测等多个重要领域。分析了Offner结构和Dyson结构的推扫型成像仪的特点，提出未来凝视型成像方式的发展前景，并介绍了目前基于AOTF分光方法的中红外高光谱成像仪，实现了较好的光谱成像效果。

高光谱 成像 Offner结构 Dyson结构 凝视型

1 引 言

20世纪80年代初，在研究矿物与岩石光谱特性过程中提出了成像光谱的概念，即将空间信息与光谱信息融合到一种探测方式下，既获得观察区域的空间图像，又可以根据光谱数据分析观察区域的物质组成。随着分光结构和元件的进步，以及光学探测技术的愈加先进，成像光谱仪的光谱分辨力能够达到纳米级，分光方式也趋于多样化，这种既有高光谱分辨率又能够保证清晰的空间图像的探测技术成为遥感领域的新宠，对气候变化、资源勘探、环境监测等方面的进步起着极大的推动作用。

2 国际高光谱成像技术发展热潮

高光谱成像技术在国外经历了数十年的发展与积累，形成了丰富的产品种类与成熟、快速的开发模式。目前经过实际应用考验的高光谱成像仪，从分光结构的角度分类，有色散方式、干涉方式、滤光片方式等，从成像方法的角度分类，有推扫型、凝视型等，覆盖波段可从可见光一直到长波红外，广泛应用于各类机载载荷以及遥感卫星，并且其快速商业开发模式也成功应用于航天领域，大大降低航天产品的开发周期和成本。

2.1小型火星高光谱勘测载荷(CRISM)

美国在2005年发射的火星轨道勘测器(MRO)旨在通过遥测手段在火星表面寻找液态水存在的痕迹，通过其搭载的小型火星高光谱勘测载荷CRISM对火星表面数千个关键位置进行观察，获得高空间分辨率、高光谱分辨率、高信噪比的图像数据，除了寻找液态水的证据，还可以用于对火星地表矿物成分、两极冰盖的变化、大气成分季节性变化等的科学研究[1,2]。如图1，CRISM覆盖波段为383nm～3 960nm，其可见光探测器(383nm～1 071nm)和短波红外探测器(988nm～3 960nm)的面阵像元数都为640×480，分光方式都采用Offner结构的光栅分光方法，在可见光波段光谱分辨率达到6.55nm，在红外波段达到6.63nm，空间分辨率低于20m。在扫描机构的设计方面，CRISM的沿轨运动方向添加了回扫机构，从而提高积分时间，增加信噪比。

2.2超小型高光谱成像仪(UCIS)

美国JPL实验室研发的超小型高光谱成像仪(UCIS)，仅有不足0.5kg，凭借其超小的体积和重量适用于火星车、月球车等各种探测平台，可以轻易地安装在火星车桅杆上探测地表成分并引导火星车对重要矿物进行重点观察[3]。UCIS的光学结构为与M3月球测绘器相同的光栅分光Offner结构，但由于在火星车上探测可以适当调整扫描速度，因此可以通过增加积分时间从而减小光学结构体积，并且减少狭缝长度和前置望远系统镜片数量同样降低结构尺寸，最终得到了超小型的设计结果，如图2所示。

UCIS的凸面闪耀光栅由JPL利用电子束印刷刻制技术制成，并且区别于以往的锯齿状刻痕，采用一种改良的凹槽设计，使其能够在一级衍射光内有效覆盖全部波段(600nm～2600nm)，且在太阳辐照强度较低的短波红外波段具有较高的衍射效率，以平衡整体光能强度。

2.3环境测绘与分析计划EnMAP

环境测绘与分析计划(EnMAP)是德国地球遥感计划的一部分，在可见光到短波红外波段内提供高质量、标准化的高光谱图像数据[4][5]。光栅衍射分光的方法受困于其衍射效率低，在对大波段范围探测时问题尤为凸显，此外光栅分光对光线偏振的灵敏度过高，并且在高级次衍射中出现的鬼像要求系统添加额外的滤光镜。如图3所示，针对光栅分光的这些问题，EnMAP采用Fery曲面棱镜的Offner分光结构，完美规避了这些缺陷，并且解决了普通棱镜光谱弯曲、畸变大，色散非线性严重等问题[6]。

EnMAP在可见-近红外波段采用1024×512的CCD探测器，在短波红外波段采用1024×256的MCT探测器，1024像元方向为狭缝方向，即一维空间图像方向，另一个方向是光谱维，共有218个波段，光谱分辨率约10nm，空间分辨率约30m×30m。

2.4高光谱热辐射分光计(HyTES)

在地球科学研究中，对大气研究尤其是温室气体的研究更多采用短波红外波段内的数据，而长波红外波段内采集到的数据一般用于地表特征的研究。由NASA的“工具培育计划”支持， JPL实验室研发的高光谱热辐射分光计(HyTES)就是一款采用量子阱探测器的长波红外(7.5μm～12μm)高光谱成像仪[7]。由于在长波红外波段Offner结构体积巨大，并且需要大功耗用于光路制冷，因此HyTES采用的是Dyson分光结构，比同样F数的Offner结构小数倍，能够实现大孔径高质量成像。由于Dyson结构为折/反结构，因此对Dyson模块的材料有着较高的通透性要求，一般采用ZnSe制作，如图4所示。

HyTES的狭缝由JPL专门采用负离子蚀刻技术加工，将以往约2μm的光谱弯曲和畸变降低了一个数量级。Dyson系统的凸面闪耀光栅由JPL在ZnSe基底上利用电子束印刷刻制技术制成，可以获得几毫米深的凹槽，可以提高衍射效率并减少离散光，同时将绝大部分衍射能量集中在-1级谱线[8]。

2.5机载大视场高光谱载荷MAKO

MAKO是一款应用Dyson分光结构的高光谱成像仪[9]，如图5，设计用途为机载载荷，设计谱段为7.8μm～13.4μm，共计128个波段。Dyson结构中的凹面球形光栅采用先进的钻石镟切工艺制成，达到良好的分光效果。MAKO没有采用全光路制冷，其前置光学系统在低温箱之外，镜片采用ZERODUR微晶玻璃，尽管没有对光学系统做额外的无热化设计，仍能保证镜片间的距离不随温度变化，保证良好的成像效果。

2.6水星高光谱热分光计(MERTIS)

水星高光谱热分光计(MERTIS)是欧空局BepiColombo水星计划的一部分，将搭乘BepiColombo探测器，预计2024年飞抵水星观察轨道，开展对水星表面的观测活动[10]。如图6，MERTIS高光谱载荷的独特之处在于其使用的是一款7μm～14μm非制冷型红外探测器，并且要求在较高的观测轨道上能够获得高空间分辨率图像，在其长期的飞行过程和工作过程中，对非制冷型探测器的标定、校正是保障探测结果准确性和可靠性的关键。

2.7快速高光谱载荷设计

战术Ⅲ号(TacSat-3)卫星是美国一颗军用高光谱侦察卫星，其上搭载的高光谱载荷主要用于对目标的侦察和识别，并且能够在几分钟内完成战场勘察和打击评估[11]。海岸环境高光谱成像仪(HICO)搭载于国际空间站ISS，能够同时达到很高的光谱分辨率(10nm)和空间分辨率(90m)[12]，并且配合国际空间站稳定的周期运行，定期对目标区域进行观测。

TacSat-3高光谱载荷和HICO高光谱载荷有一个共同特点是研制周期短与成本低廉，后者从确定技术指标到具备发射状态更是仅仅经历了16个月，要求开发团队具备对任务的快速响应能力。能够在周期短、成本低的条件下完成研制任务的关键，是采用了COTS模式，即在研制过程中使用商业级非定制产品，尽可能减少重复性的研制工作，尽可能利用软件算法处理问题，减少硬件方面的改动量。

随着国际上高光谱成像技术的发展与各领域的应用需求相互促进、相互推动，高光谱成像技术在光谱精度、空间分辨率、定标的可靠性和一致性等技术能力上已能够满足实际应用环境的要求，并且在设计时充分考虑小型化、轻质化、实时化的因素，扩大高光谱成像的适用范围，在航天、军用、民用各领域寻求快速发展的机遇。

3 国内高光谱成像技术研究成果

我国的高光谱成像技术研究在各重大科研项目的推动下，也取得了长足的进步，在分光方式多样性、空间和光谱分辨率、数据传输速度等方面都接近或达到国际先进水平，只是在一些重要光学元件的加工生产工艺方面还有所不足，影响整体性能指标。集合了众多科研机构的力量使得我国在航天高光谱遥感领域发展速度很快，如高分五号卫星、碳卫星等都是我国先进高光谱成像技术的代表。

3.1高分五号

高分五号卫星是我国第一颗高光谱综合观测卫星，搭载有可见光/短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪、大气主要温室气体监测仪、大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气气溶胶多角度偏振探测仪等载荷，具有高光谱分辨率、高精度、高灵敏度的观测能力。卫星载荷的多项指标达到国际先进水平，其中陆地高光谱探测空间分辨率最高可达30m，光谱分辨率达5nm，大气探测最高光谱分辨率达0.03cm-1。预计卫星成功入轨后，可为温室气体、区域空气质量、水环境和生态环境、气候变化、地矿资源等遥感检测领域提供大量宝贵的研究素材。

大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪是我国第一个星载超高光谱掩星探测载荷，采用太阳掩星探测方式，对地球大气层8km～100km内的大气成分进行高光谱分辨率、高信噪比和宽波段范围的精细光谱探测。该高光谱探测仪旨在通过对地球大气环境中温室气体和痕量气体的成分和浓度的监测，对气候变化和大气环境的研究提供有力支撑。

全谱段光谱成像仪能在可见光到长波红外的宽波段范围内实现共计12个谱段的光谱成像，可对水环境、生态环境、国土资源进行综合监测。为满足宽谱段、高空间分辨率的要求，选用大相对孔径、高传函的设计思路，通过组合滤光片和线列红外探测器的无缝拼接，实现了全波段的探测。

3.2碳卫星

碳卫星搭载有高光谱CO2探测仪，在760nm，1 610nm，2 060nm三个CO2的特征波段对其进行高精度观测，综合得出大气中CO2的浓度和分布情况，为我国温室气体研究提供第一手资料。CO2探测仪在研制过程中解决了三波段的光谱色散空间配准问题、激光散斑效应问题、响应度计算模型问题等测量和标定难题，在三个波段中分别达到0.04nm、0.12nm、0.16nm的光谱分辨率，确保测量结果的可靠性和稳定性。

我国的高光谱成像技术在星载、机载等各平台，遥感、地矿勘探、大气监测等各领域，都已经取得了成功的应用经验，各项技术指标也接近或达到国际先进水准，能够满足高分辨率要求的科学研究需求。为寻求更多的应用机会，未来在核心器件的加工工艺、定标精度的可靠性和一致性、小型化和轻质化、数据处理和传输速度等方面的技术突破，都将为高光谱成像技术带来更大的市场机遇。

4 凝视型高光谱成像

在星载或机载的搭载平台上，推扫式高光谱成像装置能够利用平台自身位移作为沿轨方向的运动，配合色散型分光结构形成了一套很成熟的高光谱成像方式，而为获得更好的成像质量以及对目标区域的持续观察能力，尤其无人机等小型搭载平台的广阔前景，发展凝视型高光谱成像技术是必然的趋势。

目前凝视型高光谱成像仪一般采用可调谐滤光片的分光方式，如AOTF高光谱成像仪，已经成功应用于欧空局的“火星快车”上搭载的SPICAM成像仪和我国“嫦娥Ⅲ号”玉兔月球车AOTF高光谱载成像仪，通过AOTF器件对成像波段光谱进行选择，实现凝视探测方式的高光谱成像。现阶段的凝视型高光谱成像技术受困于可调谐晶体的限制，仅在可见光到短波红外的范围内有优秀的分光表现，需要较长的凝视时间，并且难以做到较大的视场角。为解决这些问题，凝视型高光谱成像技术需要透过谱段范围更广的调谐晶体或者新的分光方式，并且结合微透镜技术和计算成像等先进光学技术，实现大视场实时成像，才能得到更具实用价值的成像装置。

基于AOTF分光方式，研制开发了中红外可调谐高光谱成像仪，将分光器件的分光波段扩展到中红外3.7μm～4.5μm，实现约50nm的光谱分辨率。AOTF分光器件，即声光可调谐滤光器，其核心是利用TeO2晶体的优良声光特性来实现对透射光的筛选，射频驱动器功率设计、换能器形状设计、晶体生长工艺等技术都对AOTF器件的性能有着很大影响，尤其是在晶体透过率较低的中波红外波段，如何同时提高衍射效率与光谱分辨率，是解决实际应用问题的关键。目前国外有美国Brimrose公司、英国Goochamp;Housego公司等具有成熟的中波红外波段AOTF器件产品，国内仅重庆声光电研究所近期研制成功中红外AOTF器件。该中红外可调谐高光谱成像仪最终选择国产研制的10mm孔径AOTF器件，结合制冷型探测器和上位机形成一套高光谱成像系统，如图7所示。

光学系统采用二次成像方式，AOTF器件放置于一次像面，出射光经过会聚镜组成像在探测器焦平面上。由于AOTF器件对入射光的孔径角有比较严格的限制，并且为将器件孔径利用率达到最大，提高透过光能强度，综合考虑，前置镜组采用像方远心系统，如图8所示，最终视场角约为±5°。AOTF器件出射光角度与目前较通用的中红外制冷型探测器的冷光阑设计配合度较差，为达到制冷型探测器100%冷光阑效率在焦平面上得到的像面较小，因此最终选择320×256像元数量的探测器。

与推扫型相比，凝视型AOTF中红外高光谱成像仪节省了几何校正的设备空间和计算时间，并且在探测器非均匀性校正算法处理方面也相对简单，与普通红外热像仪类似，无需进行谱间校正。凝视型的AOTF高光谱成像仪在复杂地物背景下的特征目标识别方面具备优势，小型化结构能够适应机载、弹载等多类搭载环境，将具有丰富的应用前景。

5 结束语

从空间到地面，高光谱成像技术在深空外星探索、地矿勘探、大气和水环境监测、战场侦察和评估等方面，都已经成为一种重要的探测手段，相信随着定标一致性和可靠性、成像实时性、装置小型化、轻质化水平的进步，高光谱成像技术将会迎来更广阔的应用空间。

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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

周阳(1991-)，男，主要研究方向：光谱成像系统设计及图像处理系统设计。

1000-7202(2017) 04-0025-05

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.04.06

O433.4

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