成像光谱仪“混光”特性分析

　　1　引　言

　　在多光谱遥感技术中,分光技术是一项非常关键的技术。通常采用的分光方式有三种:滤光片分光,如美国EOS平台的MODIS[1];色散棱镜分光,如欧空局的HRIS[2];光栅色散分光的MERIS等。成像光谱仪是新型的多光谱遥感器。它具有光谱连续,遥感数据图谱合一的特点。成像光谱仪在固定空间分辨率的基础上,利用滤光片或色散元件实现光谱细分[3]。分光和成像的矛盾导致成像光谱仪必然存在光谱和空间特性的混杂,即“混光”问题,特别是对光谱带宽窄的系统,“混光”特性的控制显得十分重要。文中从系统设计角度出发,分析了系统光谱特性和空间特性的物理意义,提出光谱纯度和空间特性的概念,研究了不同系统的“混光”特性。

　　2　系统光谱特性判据

　　影响成像光谱仪系统光谱特性的因素有:

　　(1)　色散系统色散特性

　　(2)　系统光学效率

　　(3)　探测器的光谱响应特性

　　(4)　系统的空间分辨率

　　考虑上述因素,可分析保障系统光谱特性的判据。假设探测器是决定系统极限响应的元件,则系统焦面上任意一点信号输出为:

　　式中　i(x0)———信号输出;

　　I(x,x0,λ)———焦面x位置对应空间点像,经系统后,能量分布对焦面

　　x0处的照度贡献。

　　τ(λ)———系统的光学效率;

　　R(λ)———探测器的光谱响应;

　　λmax———探测器响应的最大波长;

　　λmin———探测器响应的最小波长。

　　在x0处,要求光谱带宽内系统输出为:

　　式中　λ1———谱段的下限波长;

　　λ2———谱段的上限波长。

　　在x处,要求谱段内信号的贡献为:

　　式中　η(x)———谱段内能量对系统实际输出的贡献,即光谱纯度。

　　当η(x0)=1时,系统获得的信号全部为谱段内光谱信息。

　　当η(x0)=0·5时,表示系统信号输出有50%来源于谱段内能量的贡献。

　　光谱纯度曲线表示空间景物谱段内能量对系统输出的贡献。

　　显然,η(x0)成为标志系统光谱纯度的指标。根据不同用户需求,系统设计中考虑优化该指标来确定探测器的空间位置和尺寸。

　　3　系统空间特性判据

　　遥感系统的空间分辨率是由遥感系统探测器对应物空间的实际大小决定的。在成像光谱仪中由于光谱与空间位置发生矛盾,用下列方程描述空间位置对遥感器信号输出的贡献,从而表征系统实际空间分辨率的判据。