高光譜成像

1、課堂匯報：高光譜成像,成像技術的發(fā)展,,2,實例,,,3,4,一、高光譜成像的基本概念二、成像光譜儀的空間成像方式三、成像光譜儀的光譜成像方式,5,1.光譜儀、成像儀、輻射計之間的關系,一、高光譜成像的基本概念,光譜儀,成像儀,輻射計,6,一、高光譜成像的基本概念,光譜儀（光譜信息）,成像儀（空間信息）,輻射計（輻射信息）,7,2.光譜分辨率,一、高光譜成像的基本概念,光譜分辨率（Spectral Resolution）

2、 指探測器在波長方向上的記錄寬度，又稱波段寬度（Bandwidth）。,8,下圖所示，縱坐標（Y軸）為探測器的光譜響應，它是橫坐標（X軸）所代表的波長的函數。光譜分辨率被嚴格定義為儀器在達到 50%光譜響應時的波長寬度。,一、高光譜成像的基本概念,2.光譜分辨率,9,一、高光譜成像的基本概念,空間分辨率(Spatial Resolution),成像光譜儀的空間分辨率是由儀器的角分辨力（Angular Resolving

3、 Power）,即儀器的瞬時視場角（Instantaneous Field of View, IFOV）決定的。,3.空間分辨率,10,地面掃描幅寬__儀器的視場角（Field of View，FOV） 儀器的視場角是儀器掃描鏡在空中掃過的角度，它與系統(tǒng)平臺高度決定了地面掃描幅寬（Ground Swath，GS）,一、高光譜成像的基本概念,4.儀器的視場角,11,,,,,,GS = 2 . tg(FOV/2) . H,4.

4、儀器的視場角,12,瞬時視場角(IFOV)較小，可以獲得較高的空間分辨率。,儀器的視場角(FOV)較大，可以獲得較寬的地面掃描幅寬。,因此，在儀器設計時，FOV和IFOV是必須考慮的重要參數。,4.儀器的視場角,13,5.調制傳遞函數,高光譜成像儀光學成像中既有普通意義上的光學系統(tǒng)，如望遠鏡系統(tǒng)、光譜儀系統(tǒng)。也有如線列光纖狹縫和面陣探測器一類的離散采樣系統(tǒng)。還存在系統(tǒng)之間的耦合等因素。,14,6.信噪比,信噪比（Signal Noise

5、 Ratio,SNR）是傳感器所采集到的信號和噪聲之比，是傳感器的一個極其重要的性能參數。,信噪比的高低直接影響圖像的分類和圖像目標的識別等處理效果。,信噪比與空間分辨率、光譜分辨率是相互制約的，提高空間分辨率或者光譜分辨率都會降低信噪比，須綜合取舍。,15,7.探測器凝視時間,探測器的瞬時視場角掃過地面分辨單元的時間稱為凝視時間（dwell time）。,探測器的凝視時間在數值上等于行掃描時間除以每行的像元個數。,探測器的凝視時間長短

6、對成像質量有哪些影響？,凝視時間越長，進入探測器的能量越多，光譜響應越強，圖像信噪比越高。,16,一、高光譜成像的基本概念二、成像光譜儀的空間成像方式三、成像光譜儀的光譜成像方式,高光譜技術,17,,三、成像光譜儀的空間成像方式,空間成像方式與光譜成像方式,空間成像方式是指從影像二維空間形成的角度考察成像光譜儀的工作方式。 光譜成像方式是指從光譜維數據形成的角度考察成像光譜儀的工作方式。,18,1.擺掃型成像光譜儀,二、成像

7、光譜儀的空間成像方式,擺掃型(Whisk broom)成像光譜儀由光機左右擺掃和飛行平臺向前運動完成二維空間成像，其線列探測器完成每個瞬時視場像元的光譜維獲取。,19,原理,二、成像光譜儀的空間成像方式,45斜面的掃描鏡（Rotating Scan Mirror）電機(Electric Motor) 進行 360旋轉旋轉水平軸與遙感平臺前進方向平行掃描鏡掃描運動方向與遙感平臺運動方向垂直,1.擺掃型成像光譜儀,20,二、成像光譜

8、儀的空間成像方式,光學分光系統(tǒng)形成色散光源再匯集到探測器(Detectors)上。這樣成像光譜儀所獲取的圖像就具有了兩方面的特性：光譜分辨率與空間分辨率。,1.擺掃型成像光譜儀,原理,21,可以達到很大的視場角(FOV可達90度),二、成像光譜儀的空間成像方式,像元配準好，不同波段在任何時刻都凝視同一像元。,在每個波段只有一個探測器元件需要定標，增強了數據的穩(wěn)定性。,進入物鏡后再分光，波段范圍可以做得很寬。,視場角像元配準

9、定標波段范圍,1.擺掃型成像光譜儀,優(yōu)點,22,由于采用光機掃描，每個像元的凝視時間很短，要進一步提高光譜分辨率和信噪比比較困難。,二、成像光譜儀的空間成像方式,1.擺掃型成像光譜儀,不足,23,2.推掃型成像光譜儀,推掃型成像光譜儀采用一個面陣探測器，其垂直于運動方向在飛行平臺向前運動中完成二維空間掃描；平行于平臺運動方向，通過光柵和棱鏡分光，完成光譜維掃描。它的空間掃描方向就是遙感平臺運動方向（Along-track Scan

10、ning）。,二、成像光譜儀的空間成像方式,24,二、成像光譜儀的空間成像方式,垂直于運動方向完成空間維掃描。,2.推掃型成像光譜儀,原理,25,二、成像光譜儀的空間成像方式,平行于運動方向完成光譜維掃描。,原理,2.推掃型成像光譜儀,26,二、成像光譜儀的空間成像方式,2.推掃型成像光譜儀,27,二、成像光譜儀的空間成像方式,凝視時間空間分辨率和光譜分辨率 儀器體積,像元凝視時間僅僅取決于平臺運動的地速，因而凝視時間大大

11、增強。相對于擺掃型成像光譜儀，凝視時間可提高近千倍。,由于像元凝視時間增強，空間分辨率和光譜分辨率也得到提高。,由于沒有光機掃描運動設備，儀器的體積較小。,2.推掃型成像光譜儀,優(yōu)點,28,二、成像光譜儀的空間成像方式,視場角定標,由于探測器件尺寸和光學設計的困難，總視場角不可能很大，一般只能達到30度左右。,一次需要對上萬個探測器元件進行定標，增加了處理負荷和不穩(wěn)定因素。,2.推掃型成像光譜儀,不足,29,高光譜技術,一、高光

12、譜成像的基本概念二、成像光譜儀的空間成像方式三、成像光譜儀的光譜成像方式,30,三、成像光譜儀的光譜成像方式,將進入探測器的能量分解為不同波長的電磁波。,光譜成像方式要解決的問題是什么？,主要的光譜成像方式： 色散型（簡單） 干涉型（難點） 其它類型,31,1.棱鏡、光柵色散型成像光譜儀,三、成像光譜儀的光譜成像方式,色散型成像光譜技術出現較早，技術比較成熟。,入射的輻射能經過光學系統(tǒng)準直后，經棱鏡和光柵狹縫色散，由成像系統(tǒng)

13、將色散后的光能按照波長順序成像在探測器的不同位置上。,32,三、成像光譜儀的光譜成像方式,擺掃條件下光譜色散原理,二維影像空間上一個點,1.棱鏡、光柵色散型成像光譜儀,33,三、成像光譜儀的光譜成像方式,推掃條件下光譜色散原理,二維影像空間上一條線,附圖ZKY P52 -2,1.棱鏡、光柵色散型成像光譜儀,34,色散型光譜成像方式的特點,原理直接，結構簡單 （折射率不同）光譜維信息易于確定 （色散像按波長線性分布在像面上）,三

14、、成像光譜儀的光譜成像方式,1.棱鏡、光柵色散型成像光譜儀,35,2.干涉成像光譜儀,四、成像光譜儀的光譜成像方式,干涉成像光譜儀并不直接分光，而是生成各種光程差條件下的干涉圖，再根據干涉圖與光譜圖之間的傅里葉變換關系，得到光譜圖。,已知什么？ 不同光程差條件下的干涉圖要得到什么？ 不同波長對應的光譜圖,36,時間調制 與 空間調制基本原理—干涉與光譜的轉換獲得干涉影像的方法不同,三、成像光譜儀的光

15、譜成像方式,2.干涉成像光譜儀,,37,邁克爾遜型干涉成像光譜儀結構,三、成像光譜儀的光譜成像方式,附圖ZKY P53,,,,,,,,,二光束是從同一入射光束分割出來的,,二光束在探測器上相遇時，必然會產生干涉圖樣。,固定鏡,動鏡,2.干涉成像光譜儀,38,2.干涉成像光譜儀,三、成像光譜儀的光譜成像方式,39,濾光片型成像光譜儀,三、成像光譜儀的光譜成像方式,圖zky p57,3.其它類型成像光譜儀,40,二元光學成像光譜技術,三、成