一、 成像光谱仪简介

成像光谱技术是上世纪80年代初发展起来的一种新型遥感技术，自世界上首台成像光谱仪AIS（1982年，128波段）由美国著名的喷气与推进实验室（JPL）研制成功以来，经过30余年的发展，成像光谱仪器已经成为一种极其重要的分析仪器设备，特别是在人类更加注重环境保护、强调人与自然和谐发展的背景下，更加彰显了成像光谱技术在地质、植被、生态环境、城市以及军事等领域的重要性。

成像光谱仪是将成像技术与光谱技术结合于一身的新型测量设备，其将传统的二维成像技术和光谱技术有机地结合在一起，能够同时获取被测目标的空间辐射信息及光谱信息。换句话说，传统的空间遥感相机只能拍摄图像信息，而成像光谱仪不仅可以获得传统的图像信息，还可以同时获得图像信息中的任何一空间点的光谱信息，实现成像与光谱的融合。而各种原子或分子都具有自己的特定光谱，区别于其他原子或分子，这也正是光谱分析的基本原理。简单地讲，成像光谱仪不仅可以看清是什么物体，还能同时看清是什么物质，对成像光谱仪进行精确的光谱标定和辐射标定之后，还能进一步的确定所含各种物质的含量，即不仅实现定性分析，还可以实现定量探测。

 

图1 成像光谱仪原理结构示意图

如图1所示是成像光谱仪的原理结构示意图，主要包括前置望远系统、狭缝、分光系统和焦平面探测器，前置望远系统可以将远处的景物成像于一次像面，一次像面处安装狭缝截取视场，即望远系统获取的整个视场中的景物信息只有一条狭缝线视场可以进入分光系统，分光系统中的分光元件可以将这一线视场按波长色散，最终成像于焦平面探测器的图像是这条狭缝线视场在不同波长处的展开，即像面上有一个狭缝方向的空间维和一个光谱维，这也是成像光谱仪在同一时刻所成的一帧图像，而仪器在工作过程中会通过整个仪器在垂直狭缝方向的平移，来获取另一个空间维的信息，通过成像光谱仪连续不断的平移，使得线视场扫描成面视场，这就是所谓的成像光谱仪推扫过程，正是因此，成像光谱仪获得的数据为一个数据立方体，数据立方体可以看作三维的数据结构，由空间维、空间维及光谱维组成，对于数据立方体空间维中的任意点均可以沿光谱维提取出完整的光谱曲线，如图2所示。目前，高光谱遥感技术已广泛应用于军事、资源、环境、城市、生态、农业、林业及海洋等诸多领域。

 

图2 数据立方体

二、仪器设备名称及主要技术指标

● 名称：可见-近红外成像光谱仪

● 主要技术指标：

波段范围	400-1000nm
光谱分辨率	优于3nm
总视场	22.9°（35mm前镜头）
瞬时视场	优于1mrad（35mm前镜头）
空间维像元数	480
波段数	270
扫描速率	20-90L/s
采样位数	12bit
接口	GigE
电源	12V，5W
体积	175mm×68mm×68mm
重量	1440g

● 名称：短波红外成像光谱仪

● 主要技术指标：

波段范围	1000-2500nm
光谱分辨率	优于10nm
F数	2
视场角	18°
空间分辨率	光斑半径rms<15um
谱线弯曲	<5um
色畸变	<5um
望远镜头焦距	30mm
空间维像元数	320
波段数	256
狭缝宽度	30um
信噪比	800:1
杂散光	<0.5%
工作环境	+5~+40℃

可见-近红外成像光谱仪与短波红外成像光谱仪，覆盖了太阳反射光谱区400nm~2500nm，两台仪器的光谱范围互为补足，可应用的领域更加广泛。

三、仪器光学系统及实物简介

可见-近红外成像光谱仪，基于自主研发的棱镜-光栅分光模块研制，该模块采用消谱线弯曲算法进行优化设计，整体为近直视结构，具有优良的成像及光谱特性。

 

图3 可见-近红外成像光谱仪光路示意图

 

图4 可见-近红外成像光谱仪实物图

短波红外成像光谱仪，基于棱镜-光栅分光模块研制，该模块同样采用消谱线弯曲算法进行优化设计，整体为近直视结构，具有优良的成像及光谱特性。

 

图5 短波红外成像光谱仪光路示意图

 

图6 短波红外成像光谱仪实物图

四、成像光谱仪应用简介

1、生命科学成像光谱应用

● 疾病诊断

● 手术中在线检测及导航定位

● 生物医学研究

● 组织学研究

 

图7 医用成像光谱仪光路示意图

应用简介：图7所示是医用显微成像光谱仪的原理示意图，手术台上的待测目标经物镜、显微透镜组后分为三路，一路供主刀医生目视观测，一路供助手辅助目视观测，一路由PG可见-近红外成像光谱仪探测接收，成像光谱仪由电机带动对待测目标进行空间维扫描，得到待测目标的成像光谱信息，再经数据分析及图像处理后，通过显示器显示给医生。此外，PG可见-近红外成像光谱仪可以与荧光显微镜结合，应用于生物医学研究。

 

图8 医用成像光谱仪实物图

对实验大鼠进行腹腔肿瘤种植，图9所示是肿瘤种植1周后通过医用显微成像光谱仪得到的数据及分析结果，通过病理分析确认A、B点为正常组织，C点为肿瘤组织。可以看出：正常组织（A、B点）与肿瘤组织（C点）在光谱特性上存在明显差异，因此，基于医用成像光谱仪的图谱合一特性，不仅能够利用目标的光谱特性对肿瘤组织进行分析识别，而且能够利用目标的图像特性对肿瘤组织进行准确定位，进而帮助医生在术中对肿瘤组织进行精确定位及精确切除。

 

图9 医用成像光谱仪数据

 

图10 左侧为正常小鼠细胞右侧为癌变小鼠细胞

此外，生命科学领域还有其他很多具体应用，如图11所示是对于皮肤伤口愈合情况的成像光谱检测，可以通过光谱分析确定伤口愈合程度；如图12是将成像光谱仪应用于血液检测获得的光谱图像，可以通过光谱数据分析血液中的各种成分及含量；如图13所示是应用成像光谱仪对皮肤黑素瘤和宫颈癌诊断的应用设备及获得的光谱数据，可以辅助医生对患者的病情进行诊断。

 

图11 伤口愈合成像光谱设备及光谱图像

 

图12 血液检测光谱图像

图13 皮肤黑素瘤和宫颈癌诊断成像光谱设备

2、城市及环保应用

● 地物分类与识别

● 灰尘瓦砾制图

● 土壤重金属含量检测

应用简介：图14所示是我们自研的可见-近红外机载成像光谱仪，该仪器由可见-近红外成像光谱仪、稳定平台及POS模块组成。图15、图16所示是该仪器于2014年12月在湖北荆门飞行获取的数据，图14所示为经过几何校正、航带拼接及辐射校正之后的伪彩图像，图16所示为典型地物的光谱曲线。图17所示是Urban Terrain城市的高光谱遥感图像，通过光谱分析可调查城市中建筑面积、公路分布、绿化面积以及城市土壤重金属含量等，可以为城市发展及规划提供很多有用信息。

 

图14  机载遥感应用

 

图15 机载应用数据-伪彩图像

 

图16 机载应用数据-光谱曲线

 

图17 Urban Terrain城市成像光谱应用数据

3、自然灾害防护应用

● 火灾救援

应用简介：图18为2003年美国加州Simi山谷火场的照片，由于火灾现场充满烟雾水汽，因此无法直接通过高空相机图像获得火势分布情况，而通过成像光谱仪可以获得如图19的单波段图像，便可以清晰分辨具体的着火点及火势分布，可以迅速提供有针对性的救援，最大程度降低火灾带来的损失。

 

图18 美国加州火灾现场

 

图19 美国加州火灾高光谱遥感图像

4、农林业应用

● 树种识别

● 森林生物量估计

● 养分元素监测

● 森林健康

应用简介：如图20所示是机载高光谱遥感图像，可以对农作物的种类及分布进行识别、森林树木种类识别、森林物种评估和森林植被健康程度调查等，还可以对农田的土壤元素成分进行评估，以及农作物病虫害情况监控。

 

图20 农林应用高光谱图像

5、地质应用

● 矿物填图

● 矿物成分探测

● 成矿预测

应用简介：图21所示的是我们自研短波红外成像光谱仪拍摄的矿石图像信息，图21（a）和（b）所示分别是白云母与标准反射率板以及蒙脱石与标准反射率板在1505nm波段的图像，通过与标准反射率板比对，可以得到各种矿石扣除背景噪声后的实际光谱曲线，图22为蒙脱石与绿帘石的光谱曲线图像，不同矿石的光谱信息是不同的，可由此对不同矿石进行识别和分类。图23为地表矿产分布的遥感图像，根据不同矿物资源具有不同的光谱特性，可以对大面积地表矿产资源进行分析，确定矿区不同矿产资源的分布情况，可有针对性的进行开采。并且可根据高光谱图像进行矿物填图，以及成矿预测，大大降低地质资源勘探的成本，节约人力物力。

 

图21 （a）白云母与标准反射率板（b）蒙脱石与标准反射率板

 

图22 （a）蒙脱石样品光谱（b）绿帘石样品光谱

 

图23 矿产资源勘探

6、水环境应用

● 悬浮物浓度评估

● 叶绿素a浓度评估

● 浊度分析

应用简介：如图24和图25所示是河流及港口的水环境高光谱图像，可以对水域内进行悬浮物浓度评估、叶绿素a浓度评估，水上浮游植物评估以及水体浊度分析。通过水体污染程度分布的分析，可以判断河流或海港附近工厂的废水排放是否达标，从而进行有针对性的治理。

 

图24 河流水环境评估

 

图25 港口水环境评估

7、农畜产品品质检测

● 肉类品质检测

● 果蔬品质检测

● 中药品质检测

应用简介：如图26所示是自研的成像光谱仪对于小麦种子的成像光谱分析，实验表明，正常小麦种子与霉变小麦种子的光谱曲线存在明显差异，因此可以通过成像光谱技术实现小麦种子品质的自动检测和筛选。如图27所示是对于冬虫夏草粉末真假成分及含量检测，各物质对应光谱曲线不同，因此成分或含量不同得到的光谱伪彩色不同。图28所示为烟草光谱分析，正常烟草与霉变烟草的光谱信息存在明显不同，可以借此对烟草品质进行检测，提高烟草产品质量。此外，还可以通过对肉类、奶类、面食等的光谱分析，对其进行质量检测，确保食品安全。

 

图26 小麦种子成像光谱分析

 

图27冬虫夏草粉末光谱分析

 

图28烟草叶片光谱分析

8、军事及安全应用

● 伪装识别

●  行军路线规划

●  刑侦分析

应用简介：成像光谱仪还可以应用于刑侦分析，通过成像光谱仪对犯罪现场进行光谱分析，可以更好地捕捉犯罪细节，识破犯罪分子对犯罪现场的伪装，搜集犯罪证据。如图29所示为自研成像光谱仪在刑侦分析领域的应用，通过短波红外成像光谱仪获得的伪彩图像，可以分辨出伪造的字条。如图30所示是通过高光谱图像对伪装战壕进行识别，军事上的坦克、战车，表面都涂有迷彩色，以更好地在特定环境中增加伪装效果，通过普通的光学望远镜成像很难识别，而通过光谱成像，则可以轻松地将军事武装与环境区分开来。

 

图29 伪造字条的成像光谱伪彩图像

图30 伪装战壕光谱分析