画幅式层析成像光谱系统设计和实验研究

　　1　引言

　　成像光谱仪是获取“图”和“谱”两类综合信息的光学遥感仪器,集成像仪和光谱仪的优点于一身,能获得目标景物二维空间信息的同时又能获得景物的光谱信息(即目标的立方体),有着广泛的应用领域。传统的成像光谱仪常采用棱镜和光栅作为色散和分光器件,采用单元阵列或线性阵列探测器,在一次曝光时间内只能完成一维数据的采集,剩下二维数据的采集是通过摆镜和飞行扫描来完成。若采用平面探测器,成像光谱仪只需借助飞行平台的推扫运动来实现三维数据的采集,因为平面探测器能在一次采样时间内完成二维数据的采集。对于光谱分辨率很高的干涉型傅立叶变换成像光谱仪,也需要动镜或推扫来实现三维数据立方体的采集。实际上,采用平面探测器完成三维数据的采集的任何仪器都需要一维扫描,扫描周期决定了时间分辨率的大小。如果采用这类仪器,对那些光谱和空间瞬变的景物目标进行光谱成像时,会导致像的模糊和失真。

　　计算机断层(Computed Tomography)成像技术在医学成像领域确定了不可动摇的地位,作为高性能无损探测技术,将CT原理与成像光谱技术相结合,研制的层析型成像光谱仪不但继承了传统成像光谱仪的优良的性能,而且克服了这类仪器固有的缺陷,具备独特的性能。层析成像光谱仪将表征物体二维空间信息和光谱信息的目标立方体按不同的方向进行投影,在探测器上获取平面投影数据,通过重构计算来实现在瞬间完成目标的三维数据的采集。该仪器无需运动部件、并能在一次曝光时间内获取相关数据,适合对动态目标进行光谱和形态探测。该仪器在遥感、环境检测等方面有着广泛的应用前景。

　　2　层析成像光谱的原理及系统组成

　　计算机断层(Computed Tomography)技术,简称层析技术或CT技术,其主要原理是通过探测系统将来自被测目标的N-维数据(对象)、在不同方向(对应不同方位角和俯仰角)上投影,得到一系列的N-1-维投影数据,再经过计算处理,重现被测目标的N维数据(对象)。层析成像光谱系统包括两个过程,即所谓的“正问题”(forward problem)和“逆问题”(inverse problem)。正问题的过程由图1所示的系统来实现,该系统由前置光学系统、准直镜、光栅或光栅组合、成像镜和焦平面探测器组成。包含二维空间信息和一维光谱信息的目标数据立方体f (x,y,λ),经过前置光学系统后成像在准直镜的前焦面处,该实像为后面光学系统的物,经过准直、光栅的分光和色散以及会聚后,在探测器上得到不同方向的投影图像g(x’,y’),如图1右所示。

　　输入的物与输出的像之间的关系用以下方程表示,

　　g = H×f+ n(1)