二、高光谱遥感成像机理与成像光谱仪

光谱学
Spectroscopy
成像光谱学
Imaging spectrometry
成像技术
Imaging technology
2
2.1 基本概念
（1）光谱响应函数（Spectral Response）：
L接收 = ∫
λ max
λ min
L入射(λ ) f (λ )dλ
MODIS,CBERS,TM前4个波段光谱响应函数比较
21
2.4 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
22
2.5 成像光谱仪的空间成像方式
25
2.5 成像光谱仪的空间成像方式
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。
14
2.2 高光谱遥感成像特点
高光谱遥感的突出特点： （2）图谱合一
空间信息 （成像仪）
成像光谱仪 成像光谱 成像光谱 辐射计 辐射计
成像辐射计
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
光谱信息 （光谱仪）
光谱辐射计
辐射信息 （辐射计）
15
2.2 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
16
2.3 高光谱遥感图像数据表达
（1）光谱图像立方体
Y轴 Z轴
X轴
空间平面：O-XY平面 线光谱平面：O-XZ，O-YZ平面
17
2.3 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 18
2.4 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。
GR=2×tg(IFOV/2) ×altitude
r
α
L
L α = rad r
8
2.1 基本概念 2.1 基本概念
（7）空间分辨率(Spatial Resolution):
1 IFOV = rad = 1mrad 1000
角分辨力＝1mrad
距离1米，5线对/厘米 （line-pairs ·cm-1）
混合焦平面焊接技术
20
2.4 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(Energy Flux),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（Dwell Time），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。
Δν = 1
V=1/λ cm-1 (ν) 20000 10000 1000
λ
−
1 λ + Δλ
Δλ =
1
λ
1
− Δν
− λ
Δλ = Δν × λ2
当Δv=100时， Δλ400nm =1/(1/400-100×10-7)-400≈1.6nm Δλ800nm =1/(1/800-100×10-7)-800≈6.5nm Δλ2000nm=1/(1/2000-100×10-7)-2000≈41nm
1 2010
2.1 基本概念
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（Instantaneous Field Of View, IFOV）而提高遥感图像的空间分辨率(Spatial Resolution)； 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（Spectral Resolution）。
19
2.4 高光谱遥感成像关键技术
（1）探测器焦平面技术
Silicon
CCD Multiplexer Indium solder bumps（铟） Detector array
Transparent electrode Photons (hν)
Hybrid-focal-plane bonding techniques
（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。
23
2.5 成像光谱仪的空间成像方式
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。
D0为成像仪光学系统的有 效口径，
ω为系统的瞬时视场立体角， τ a为大气的平均透过率， τ 0为光学系统的平均透过 率。
∗ Dλ 探测器的探测率，
噪声来源： 光子噪声（Photon noise） 探测器噪声（Detector noise） 后探测器电子噪声 （Postdetector electronic noise）
光栅
glass prism spectrometer
狭缝
准直镜 成像镜 探测器 28
2.6 成像光谱仪的光谱成像方式
（2）干涉型成像光谱仪(Fourier Imaging Interferometer)
L1
Δ L = L1 - L2
CCD
L2 INTERFEROGRAM INTENSITY SPECTRUM
二、高光谱遥感成像机理与成像光谱仪
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 基本概念 高光谱遥感成像特点 高光谱遥感图像数据表达 高光谱遥感成像关键技术 成像光谱仪的空间成像技术 成像光谱仪的光谱成像技术 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: zb@
12
AD 为探测器的光敏面， Δf为系统电子学噪声带宽。
XT 为光谱段积分 ΔT为时间积分
2.1 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
13
2.2 高光谱遥感成像特点
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。 高光谱遥感的突出特点： （1） 高光谱分辨率
26
2.6 成像光谱仪的光谱成像方式
色散型成像光谱仪
光谱图像立方体
λ
前置光学 干涉型成像光谱仪 前置光学 干涉成像 光电转换 分色成像 光电转换
ΔL
干涉图像立方体
FFT
光谱图像立方体
27
2.6 成像光谱仪的光谱成像方式
（1）棱镜、光栅色散型成像光谱仪
Grating spectrometer
衍射光栅
f (λ ) ：光谱响应函数
光谱响应
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 350 450 550 650 波长（nm） 750 850 950
MODIS1 MODIS2 MODIS3 MODIS4 CBERS2 CCD1 CBERS2 CCD2 CBERS2 CCD3 CBERS2 CCD4 Landsat5 TM1 Landsat5 TM2 Landsat5 TM3 Landsat5 TM4
10mm
距离r=1000mm
L=1mm
9
2.1 基本概念 2.1 基本概念
（8）遥感器视场角（Angular Field of View，FOV）： FOV＋H >>> 地面扫描幅宽（Ground Swath，GS）。 GS=tan(FOV/2) ×altitude ×2
FOV
10
2.1 基本概念 2.1 基本概念
3
2.1 基本概念
（2）光谱分辨率（Spectral Resolution）： 仪器在达到50%光谱响应时在波长方向的宽度（Bandwidth）。
4
2.1 基本概念
（3）探测器凝视时间（Dwell Time） 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（Spectral Sampling Interval） 相邻波段通道的光谱峰值响应点间的波长间隔。 （5）对比度（Contrast Ratio, CR） CR=Bmax/Bmin , brightness scale: 0 ~ 10
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:
30
2.6 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。