数字人体信息获取的成像光谱仪研究

数字人体信息获取的成像光谱仪研究
[摘要] 本文首先概述了成像光谱仪的研究现状，然后详细介绍了数字人体信息获取的扫描成像光谱仪，数字人体信息 获取的固体成像光谱仪和AIS成像光谱仪；为数字人体信息获取的成像光谱仪研究提供了理论依据。 遥感可以概括为借助光、热、无线电波等电磁能量来探 测物体特性的科学技术。高光谱遥感具有10 的光谱分辨 率，在可见光到短红外波段其光谱分辨率高达纳米(nm)数量 级。高光谱遥感通常具有波段多的特点，光谱通道多达数十 甚至数百个以上，而且各光谱通道间往往是连续的，因此高光 谱又通常称为成像光谱。成像光谱仪与“多光谱”仪不同，多 光谱仪只观测几个、十几个光谱波段。

1 成像光谱仪研究现状 1983年，世界第一台成像光谱仪AIS-1在美国喷气推进 实验室(JPL)研制成功。并在矿物填图、植被化学等方面取 得了成功，显示了成像光谱仪的巨大潜力。在此后，先后研制 的成像光谱仪有：美国机载可见红外成像光谱仪(AVIRIs)、 加拿大的荧光线成像光谱仪(FLI)和在此基础上发展的小型 机载成像光谱仪(AIS)、美国Deadalus公司的MIVIS、GER 公司的79通道机载成像光谱仪(DAIS-7915)、芬兰的机载多 用成像光谱仪(DAIsA)、德国的反射式成像光谱仪(ROSIS- 1O和22)、美国海军研究所实验室的超光谱数字图像采集试 [作者简介]毕思文(1956一)，男，北京大学和清华大学双博士后，研究 员，中国医药信息学会和北京医药信息学会“数字人体——人体系统数 字学”专业委员会主任委员。研究方向：数字人体——人体系统数字学。 其中AVIRIS的影响最大，是一台革命性 的成像光谱仪，极大的推动了高光谱遥感技术和应用的发展。 近年来，世界上一些有条件的国家竞相投入到成像光谱 仪的研制和应用中来，到目前全球有大约有5O套成像光谱仪 已经投入使用。热红外的成像光谱仪已有了实质性的进展。 最具有代表性的是美国宇航公司研制的SEBASS，即空间增 强宽带阵列光谱仪系统(spatially enhanced broadband array spectrograph system)。这是一台没有任何运动部件的固态 成像仪。它共有两个光谱区：中波红外，3．0～5．5 m，带宽 0．025 m；长波红外，7．8～13．5 m，带宽0．04 m。前者(中 波红外区)有100个波段而热红外区则有142个波段。所使 用的探测器为2块128×128的Si：As焦平面，有效帧速率为 120 Hz，温度灵敏度为±0．05。K，信噪比>2000：1。这些热 红外成像仪为更好反映地物的本质提供了珍贵的数据源。 中国一直跟踪国际高光谱成像技术的发展前沿，于8O年 代中、后期亦开始发展自己的高光谱成像系统，在国家“七 五”、“八五”、“九五”科技攻关、“863”高技术的重大项目支持 下，中国成像光谱仪的发展，经历了从多波段扫描仪到成像光 谱仪扫描，从光机扫描面阵CCD固态扫描的发展过程。中国 白行研制的推扫式成像光谱仪(PHI)和实用型模块成像光谱 仪系统(0MIS)在世界航空成像光谱仪中占有一席之地，代表 了亚洲成像光谱仪技术水平 。]。

2 扫描成像光谱仪 扫描成像光谱仪用扫描反射镜扫描，用线列探测器探测。 高级可见光和红外成像光谱仪(AVIRIS)即属于这种模式。 在穿轨迹方向，一个瞬时视场的光能，由前光具组收集，并通 过光谱仪的入射孔。光线被色散后，重新聚焦在线列探测器 上。由此探测器给出一电信号，然后，当扫描镜移到下一个穿 轨迹瞬时视场时，此信号被读出。在此模式中，建立景物图像 的同时，在线列探测器元上形成许多邻接的光谱带。在遥感 信息获取中，能用尺寸适中的光具组，以许多窄的波段成像而 又保持较高的信噪比。 AVIRIS仪器的三个基本要求，对仪器的设计有重要作 用。首先，要覆盖空气所能透过的整个的光线反射光谱仪，即 0．4～2．4 ptm范围的波谱区间；其次，为了提供几百个像元的 宽幅图像，要求较大地改善空间覆盖率；第三，为了给研究人 员提供高质量的观测数据，必须有高的可靠性。按照这些要 求，AVIRIS设计成一扫描成像光谱仪。在可见光谱区，采用 硅探测器列阵；在近红外和短波红外区，采用锑化铟(InSb)探 测器列阵。主要考虑的是可以采用高质量的InSb线列阵和 适于作宽视场成像的较成熟的扫描技术 ]。
AVIRIS收集的图像大约有550个像元的宽度。由于 15 的过扫描(光谱取样重叠)，需要630个穿轨迹像元。由 四个分立的光谱仪和线列阵探测器来获得采样宽度的244个 光谱波段。线列探测器用光学纤维连接到前光学系统。光学 纤维和光谱仪相连，用光传输曲线上的两点提供两个波段的 辐射强度校正。该定标光源也用作监视仪器光谱校准的谱线 源和测量暗电流时的黑景象。选择的编码是11比特。利用 仪器的预期信噪比，允许景物辐射强度的正常变化，而不要调 节增益开关。
AVIRIS的光学系统，包括一个修改的Kennedy扫描器， 由光学纤维耦合到四个光谱仪。到光谱仪的四根光学纤维，在 扫描器焦平面上按穿过轨迹形式排列；所以，光谱仪依次观察 地面上的景物。Kennedy扫描器采用三角形反射镜来回摆动 的方式进行工作，以获得最大的扫描效率。利用一个反向转动 块来减小振动。扫描器顶端设有辅助抛物面镜，能保证200 ptm的光学纤维限定正确的瞬时视场。焦点的热变化由安装纤 维光学焦平面于一个热条结构上的办法加以补偿，保证从室温 到一20℃的范围内，使有效瞬时视场保持为1 mrad。 典型的光谱仪结构是偏心孔径改进型施密特结构，数值 孔径为0．44。来自光学纤维的光能由球面镜1准直。在此 特殊结构中，球面镜以双光路方式使用。施密特反射校正器 和系统的孔径光栏重合，衍射光栅排列在非球面校正器面上。 色散光谱由反射镜成像，在探测器列阵上形成光谱图像。视 场致平器和冷滤光镜是光学系统中独有的折射元件 ]。 AVIRIS焦平面上有四个线列阵：一个硅线列阵和三个 锑化铟线列阵。这些列阵的噪声低，暗电流小，均匀性好。为 在相应的波长区获得最大的量子效率，每一个线列阵上镀以 适配的抗反射镀镆层。在可见光波段，预计信噪比约为220； 在短波红外波段，预计信噪比为90。 实验证明，用足够高的分辨率对光谱采样，直接识别反射 光谱有明显吸收特征的表面物质是可能的。由于典型吸收特 征的光谱都很窄，TM之类的宽波段传感器探测不到这些特 征。这样，成像光谱仪作为新一代遥感传感器是符合逻辑的。

3 固体成像光谱仪 这种成像光谱仪使用面阵探测器，其原理是在与运行相 同的方向上用线列阵扫描，并沿列阵的另一维方向实现光谱 分光。此另一维信息是作为光谱分光的结果补入遥感数据 的。这种方法结合了推帚式扫描和从光谱分光中增加信息的 两个优点。使用面阵作传感器，则无须机械扫描。每一个探 测器元的景物在相应元上的驻留时间比较长，提高了信噪比。 此外，使用二维探测器列阵可以实现邻接光谱段的同时覆盖。 假定各探测器的噪声是互不相关的，则两维列阵的信噪 比可写为： C C ，、 一 ’tM ] (1) 式中，S／N是具有M 元的一列探测器的信噪比；(S／N) 是单个探测器的信噪比；M 是一列中探测器的数目；G是在 集成处理前探测器通道的平均增益； 是一列探测器增益的 变化。在理想情况下， 一0，两维列阵的信噪比，相对于线列 阵来说，增大了在扫描方向上所增加探测器数目的平方根倍。 光子探测过程的非均匀性，以及探测器电流与信号处理器耦 合的不均匀性，将降低两维列阵的信噪比，使其不能达到理想 情况下的值 ]。 在全色模式中，如果探测器的元数增加到充满系统的视 场，扫描系统即成为一凝式两维列阵。在凝式列阵中，每个探 测器单元产生的电荷被集成在该探测器自身的单元里，或者， 在与每个探测器耦合的模拟处理器内。每个探测器所在位置 上的积累电荷，由模拟多路传输电路从列阵中读出。当目标 的背景差为△T时，凝视焦平面的灵敏度可表示为： r。。 r q △TI ⋯-h--U。Dpo( ) r 一— — r。。 7， — 一 (⋯2) 4 Fz[jI N sinc(士) 门“。 0 l 式中，A 为探测器的面积；AT是目标对背景的温度差；rio r 是光学系统的透过系数； 是辐射导数；D二( )是峰值探测 率；F是系统的F数； 是输入噪声频谱；_厂，是帧速率。总输 入噪声功率谱N ，通过带宽为帧时间倒数的理想积分器sinc ， (手)滤波后，用来决定凝视式传感器的噪声等效带宽。积分器 J 的这一功能可以把背景通量、探测器和处理器输入电路的噪声 频谱积分起来。焦平面的信噪比正比于积分时间的平方根。 积分时间取决于所要求的动态范围，处理器的阱容量和焦平面 的不均匀性。对于红外凝视列阵，积分时间在1／1000 S至1／ 30 S的范围以内。设计出具有很高灵敏度的凝视焦平面列阵， 可以探测背景温差为千分之几度的目标。既然在许多应用中 不需要这样高的灵敏度，因而可以用过剩的灵敏度来换取冷却 功率的降低，或者光学孔径的减小，从而减小系统的质量和尺 寸。这是和成像光谱仪不同的应用情况。

4 AIS成像光谱仪 AIS成像光谱仪是使用二维探测器面阵的科学仪器。其 工作原理为：前光具组收集光能，并聚集一个窄缝上，该窄缝 规定了地面穿轨迹扫描线，即刈幅宽度。通过窄缝的光被光 谱仪的棱镜或光栅色散，然后重新聚焦到置有两维探测器列 阵的焦面上。这样，由光谱窄缝所规定的穿轨迹扫描线上的 每一个像元在许多邻近的光谱带内同时成像，光谱带的数目 由面阵的光谱尺度决定 ]。 AIS使用了一个32×32元的探测器面阵。此面阵和一个 可动光栅组合，在一条扫描线的时间内，光栅能步进四个位置。 这样，光谱仪在128个光谱带内能同时在穿轨迹方向成32个 像元的像嘲。这样的光学安排与扫描系统相比有两个优点：
(1)每个单元探测器能在行扫描的全部时间里把光信号积 分起来。在扫描模式中，探测器只在单个像元时间内接受光信 号；因而，对于给定的孔径，这种模式可获得更高的信噪比。
(2)列阵中的探测器是准确对准的，像的几何特征得到改 善。每条扫描线上有32个像元，每个像元有32个光谱取样， 这些数据可以通过列阵的一次读出获得。

5 结语 由于典型吸收特征的光谱都很窄，所以必须提高仪器的 光谱分辨率。这一点很清楚，成像光谱仪作为新一代数字人 体信息获取的仪器是必然趋势。总之，成像光谱仪分辨率用 于数字人体信息获取，辨别物质组成具有很高的效率。为了 利用0．4～2．4 p．m整个光谱区内的吸收特征就需要有许多 狭窄(10 nm)的邻接光谱波段。工作在1．2～2．4 p．m波段的 AIS原机为研究新的分析方法提供了重要的数据。在0．4～ 2．4 btm波段区，用大于32像元的刈幅成像，将能更有效地进 行特征的识别和定位。 随着数字人体研究的深入和需要，同时进行成像的波段 数目的增加，利用带有滤光镜或双色棱镜和光束分离器装置 的共面线列阵的方法，变得越来越复杂。用面阵探测器可以 解决成像光谱仪的某些困难。但会带来一些新的光学设计问 题。例如，宽的角视场，宽的光谱区、高的光谱和空间分辨率， 以及前光学系统的成像表面同光谱仅入射窄缝相匹配的困难 等。更高的测量辐射灵敏度、更多的波段数和更窄的波段宽 度，对光学设计提出新的要求，并促进了响应波长大于1 btm 的红外敏感探测器面阵的发展。