窄带成像光谱仪技术与实时多光谱图像处理

　　引言

　　80年代初,Grogg Vane等人提出了光谱分辨率为10～20 nm的成像光谱仪新概念[1,2]。成像光谱仪可在许多相邻的窄带光谱范围内,同时获取目标的空间信息和光谱信息,它把传统光学成像技术和光谱技术融为一体,是到目前为止最为复杂的空间遥感探测器。

　　在成像光谱技术中,仪器研制的核心问题是如何获取满足10 nm左右光谱分辨率条件下的超高灵敏度成像器件。因为目标光辐射经高光谱分辨滤光后探测器接收到的光辐射将下降90%以上,而高性能焦平面探测器件研制的难度与价格构成了限制成像光谱技术推广应用的首要难题。在成像光谱仪的实际使用中,随着光谱数的增加原始数据率和数据量也在成倍增加,高速数据流的采集、记录、传输与处理构成了实际使用中的另一个难题。这些难题均使得现阶段成像光谱仪的研制与使用价格高昂,一般仅为发达国家的星载系统所采用。

　　在许多实时性要求高的特定遥感应用中,如区域植物生长与病虫害监测,区域环保监测等,在一个特定时空范围内一般不易实时获得星载遥感的信息;另一方面对于某种特定的监测任务也没有必要对目标进行全光谱范围内的普查,再从普查信息中处理出特定信息。本文针对区域遥感应用,提出了一种具有实时光谱运算功能的窄带光谱遥感成像技术。利用该技术可以在窄带多光谱遥感过程之中同时完成多光谱图像的处理,更为重要的是该技术具有极高的性能价格比优势,可广泛运用于农业、环保等领域。

　　1　窄带多光谱遥感成像

　　不同的地表状态、不同的植被可以有不同的光谱反射性能,较窄的光谱带宽可以获得较多的目标物理性能参量。如果把美国JPT(喷气推进实验室)研制的航天飞机成像光谱仪SISEX作为参照典型[3],可以认为光谱取样间隔为10 nm足以满足现阶段绝大多数遥感应用。在可见光与近红外范围内当滤光片带宽取为10 nm后,入射光辐射将视波段的差异下降2～3个量级,同时相同目标不同光谱的图像数据可以增加数百倍,这样常规成像器件和图像处理系统将无法完成窄带遥感成像和多光谱图像的实时处理。为此笔者研制了可用于10nm带宽滤光的多光谱成像系统。图1给出了窄带多光谱遥感成像系统的原理图,改变滤光片中心波长,可以获得不同波长的多光谱遥感图像。由于采用了不同于常见成像光谱仪,如SISEX[3]、AVIRIS[6]所采用的成像器件,这样就使成像系统的价格大幅度降低。实验证明,该成像系统可以完成窄带滤光条件下的遥感成像,但对多光谱图像的实时处理依然没有突破性进展。

　　图2给出了太阳的光谱辐照度与波长λ的函数曲线,可以看出在可见到近红外范围内太阳的光谱辐照度可以有数倍的变化,进一步考虑到目标反射率的变化,由图3[7]可以知道,如果在可见到近红外范围内保持滤光片带宽不变,则对于不同波段成像系统接收到的辐射能量差异可以有数量级的差别。这样要使图1所示的成像系统对不同的波长有相近的探测精度,简单依赖提高成像器件的线性工作范围无疑会给成像器件研制增加巨大困难。为保证成像器件对于不同波段工作在相近辐射能量条件下,就必须在图1所示成像原理的基础上增加对成像器件所接收到的辐射能量的实时控制。