數(shù)字人體信息獲取的成像光譜儀研究

數(shù)字人體信息獲取的成像光譜儀研究
[摘要] 本文首先概述了成像光譜儀的研究現(xiàn)狀，然后詳細介紹了數(shù)字人體信息獲取的掃描成像光譜儀，數(shù)字人體信息 獲取的固體成像光譜儀和AIS成像光譜儀；為數(shù)字人體信息獲取的成像光譜儀研究提供了理論依據(jù)。 遙感可以概括為借助光、熱、無線電波等電磁能量來探 測物體特性的科學(xué)技術(shù)。高光譜遙感具有10 的光譜分辨 率，在可見光到短紅外波段其光譜分辨率高達納米(nm)數(shù)量 級。高光譜遙感通常具有波段多的特點，光譜通道多達數(shù)十 甚至數(shù)百個以上，而且各光譜通道間往往是連續(xù)的，因此高光 譜又通常稱為成像光譜。成像光譜儀與“多光譜”儀不同，多 光譜儀只觀測幾個、十幾個光譜波段。

1 成像光譜儀研究現(xiàn)狀 1983年，世界第一臺成像光譜儀AIS-1在美國噴氣推進 實驗室(JPL)研制成功。并在礦物填圖、植被化學(xué)等方面取 得了成功，顯示了成像光譜儀的巨大潛力。在此后，先后研制 的成像光譜儀有：美國機載可見紅外成像光譜儀(AVIRIs)、 加拿大的熒光線成像光譜儀(FLI)和在此基礎(chǔ)上發(fā)展的小型 機載成像光譜儀(AIS)、美國Deadalus公司的MIVIS、GER 公司的79通道機載成像光譜儀(DAIS-7915)、芬蘭的機載多 用成像光譜儀(DAIsA)、德國的反射式成像光譜儀(ROSIS- 1O和22)、美國海軍研究所實驗室的超光譜數(shù)字圖像采集試 [作者簡介]畢思文(1956一)，男，北京大學(xué)和清華大學(xué)雙博士后，研究 員，中國醫(yī)藥信息學(xué)會和北京醫(yī)藥信息學(xué)會“數(shù)字人體——人體系統(tǒng)數(shù) 字學(xué)”專業(yè)委員會主任委員。研究方向：數(shù)字人體——人體系統(tǒng)數(shù)字學(xué)。 其中AVIRIS的影響最大，是一臺革命性 的成像光譜儀，極大的推動了高光譜遙感技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展。 近年來，世界上一些有條件的國家競相投入到成像光譜 儀的研制和應(yīng)用中來，到目前全球有大約有5O套成像光譜儀 已經(jīng)投入使用。熱紅外的成像光譜儀已有了實質(zhì)性的進展。 最具有代表性的是美國宇航公司研制的SEBASS，即空間增 強寬帶陣列光譜儀系統(tǒng)(spatially enhanced broadband array spectrograph system)。這是一臺沒有任何運動部件的固態(tài) 成像儀。它共有兩個光譜區(qū)：中波紅外，3．0～5．5 m，帶寬 0．025 m；長波紅外，7．8～13．5 m，帶寬0．04 m。前者(中 波紅外區(qū))有100個波段而熱紅外區(qū)則有142個波段。所使 用的探測器為2塊128×128的Si：As焦平面，有效幀速率為 120 Hz，溫度靈敏度為±0．05。K，信噪比>2000：1。這些熱 紅外成像儀為更好反映地物的本質(zhì)提供了珍貴的數(shù)據(jù)源。 中國一直跟蹤國際高光譜成像技術(shù)的發(fā)展前沿，于8O年 代中、后期亦開始發(fā)展自己的高光譜成像系統(tǒng)，在國家“七 五”、“八五”、“九五”科技攻關(guān)、“863”高技術(shù)的重大項目支持 下，中國成像光譜儀的發(fā)展，經(jīng)歷了從多波段掃描儀到成像光 譜儀掃描，從光機掃描面陣CCD固態(tài)掃描的發(fā)展過程。中國 白行研制的推掃式成像光譜儀(PHI)和實用型模塊成像光譜 儀系統(tǒng)(0MIS)在世界航空成像光譜儀中占有一席之地，代表 了亞洲成像光譜儀技術(shù)水平 。]。

2 掃描成像光譜儀 掃描成像光譜儀用掃描反射鏡掃描，用線列探測器探測。 高級可見光和紅外成像光譜儀(AVIRIS)即屬于這種模式。 在穿軌跡方向，一個瞬時視場的光能，由前光具組收集，并通 過光譜儀的入射孔。光線被色散后，重新聚焦在線列探測器 上。由此探測器給出一電信號，然后，當(dāng)掃描鏡移到下一個穿 軌跡瞬時視場時，此信號被讀出。在此模式中，建立景物圖像 的同時，在線列探測器元上形成許多鄰接的光譜帶。在遙感 信息獲取中，能用尺寸適中的光具組，以許多窄的波段成像而 又保持較高的信噪比。 AVIRIS儀器的三個基本要求，對儀器的設(shè)計有重要作 用。首先，要覆蓋空氣所能透過的整個的光線反射光譜儀，即 0．4～2．4 ptm范圍的波譜區(qū)間；其次，為了提供幾百個像元的 寬幅圖像，要求較大地改善空間覆蓋率；第三，為了給研究人 員提供高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)，必須有高的可靠性。按照這些要 求，AVIRIS設(shè)計成一掃描成像光譜儀。在可見光譜區(qū)，采用 硅探測器列陣；在近紅外和短波紅外區(qū)，采用銻化銦(InSb)探 測器列陣。主要考慮的是可以采用高質(zhì)量的InSb線列陣和 適于作寬視場成像的較成熟的掃描技術(shù) ]。
AVIRIS收集的圖像大約有550個像元的寬度。由于 15 的過掃描(光譜取樣重疊)，需要630個穿軌跡像元。由 四個分立的光譜儀和線列陣探測器來獲得采樣寬度的244個 光譜波段。線列探測器用光學(xué)纖維連接到前光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué) 纖維和光譜儀相連，用光傳輸曲線上的兩點提供兩個波段的 輻射強度校正。該定標(biāo)光源也用作監(jiān)視儀器光譜校準的譜線 源和測量暗電流時的黑景象。選擇的編碼是11比特。利用 儀器的預(yù)期信噪比，允許景物輻射強度的正常變化，而不要調(diào) 節(jié)增益開關(guān)。
AVIRIS的光學(xué)系統(tǒng)，包括一個修改的Kennedy掃描器， 由光學(xué)纖維耦合到四個光譜儀。到光譜儀的四根光學(xué)纖維，在 掃描器焦平面上按穿過軌跡形式排列；所以，光譜儀依次觀察 地面上的景物。Kennedy掃描器采用三角形反射鏡來回擺動 的方式進行工作，以獲得最大的掃描效率。利用一個反向轉(zhuǎn)動 塊來減小振動。掃描器頂端設(shè)有輔助拋物面鏡，能保證200 ptm的光學(xué)纖維限定正確的瞬時視場。焦點的熱變化由安裝纖 維光學(xué)焦平面于一個熱條結(jié)構(gòu)上的辦法加以補償，保證從室溫 到一20℃的范圍內(nèi)，使有效瞬時視場保持為1 mrad。 典型的光譜儀結(jié)構(gòu)是偏心孔徑改進型施密特結(jié)構(gòu)，數(shù)值 孔徑為0．44。來自光學(xué)纖維的光能由球面鏡1準直。在此 特殊結(jié)構(gòu)中，球面鏡以雙光路方式使用。施密特反射校正器 和系統(tǒng)的孔徑光欄重合，衍射光柵排列在非球面校正器面上。 色散光譜由反射鏡成像，在探測器列陣上形成光譜圖像。視 場致平器和冷濾光鏡是光學(xué)系統(tǒng)中獨有的折射元件 ]。 AVIRIS焦平面上有四個線列陣：一個硅線列陣和三個 銻化銦線列陣。這些列陣的噪聲低，暗電流小，均勻性好。為 在相應(yīng)的波長區(qū)獲得最大的量子效率，每一個線列陣上鍍以 適配的抗反射鍍鏌層。在可見光波段，預(yù)計信噪比約為220； 在短波紅外波段，預(yù)計信噪比為90。 實驗證明，用足夠高的分辨率對光譜采樣，直接識別反射 光譜有明顯吸收特征的表面物質(zhì)是可能的。由于典型吸收特 征的光譜都很窄，TM之類的寬波段傳感器探測不到這些特 征。這樣，成像光譜儀作為新一代遙感傳感器是符合邏輯的。

3 固體成像光譜儀 這種成像光譜儀使用面陣探測器，其原理是在與運行相 同的方向上用線列陣掃描，并沿列陣的另一維方向?qū)崿F(xiàn)光譜 分光。此另一維信息是作為光譜分光的結(jié)果補入遙感數(shù)據(jù) 的。這種方法結(jié)合了推帚式掃描和從光譜分光中增加信息的 兩個優(yōu)點。使用面陣作傳感器，則無須機械掃描。每一個探 測器元的景物在相應(yīng)元上的駐留時間比較長，提高了信噪比。 此外，使用二維探測器列陣可以實現(xiàn)鄰接光譜段的同時覆蓋。 假定各探測器的噪聲是互不相關(guān)的，則兩維列陣的信噪 比可寫為： C C ，、 一 ’tM ] (1) 式中，S／N是具有M 元的一列探測器的信噪比；(S／N) 是單個探測器的信噪比；M 是一列中探測器的數(shù)目；G是在 集成處理前探測器通道的平均增益； 是一列探測器增益的 變化。在理想情況下， 一0，兩維列陣的信噪比，相對于線列 陣來說，增大了在掃描方向上所增加探測器數(shù)目的平方根倍。 光子探測過程的非均勻性，以及探測器電流與信號處理器耦 合的不均勻性，將降低兩維列陣的信噪比，使其不能達到理想 情況下的值 ]。 在全色模式中，如果探測器的元數(shù)增加到充滿系統(tǒng)的視 場，掃描系統(tǒng)即成為一凝式兩維列陣。在凝式列陣中，每個探 測器單元產(chǎn)生的電荷被集成在該探測器自身的單元里，或者， 在與每個探測器耦合的模擬處理器內(nèi)。每個探測器所在位置 上的積累電荷，由模擬多路傳輸電路從列陣中讀出。當(dāng)目標(biāo) 的背景差為△T時，凝視焦平面的靈敏度可表示為： r。。 r q △TI ⋯-h--U。Dpo( ) r 一— — r。。 7， — 一 (⋯2) 4 Fz[jI N sinc(士) 門“。 0 l 式中，A 為探測器的面積；AT是目標(biāo)對背景的溫度差；rio r 是光學(xué)系統(tǒng)的透過系數(shù)； 是輻射導(dǎo)數(shù)；D二( )是峰值探測 率；F是系統(tǒng)的F數(shù)； 是輸入噪聲頻譜；_廠，是幀速率�？傒� 入噪聲功率譜N ，通過帶寬為幀時間倒數(shù)的理想積分器sinc ， (手)濾波后，用來決定凝視式傳感器的噪聲等效帶寬。積分器 J 的這一功能可以把背景通量、探測器和處理器輸入電路的噪聲 頻譜積分起來。焦平面的信噪比正比于積分時間的平方根。 積分時間取決于所要求的動態(tài)范圍，處理器的阱容量和焦平面 的不均勻性。對于紅外凝視列陣，積分時間在1／1000 S至1／ 30 S的范圍以內(nèi)。設(shè)計出具有很高靈敏度的凝視焦平面列陣， 可以探測背景溫差為千分之幾度的目標(biāo)。既然在許多應(yīng)用中 不需要這樣高的靈敏度，因而可以用過剩的靈敏度來換取冷卻 功率的降低，或者光學(xué)孔徑的減小，從而減小系統(tǒng)的質(zhì)量和尺 寸。這是和成像光譜儀不同的應(yīng)用情況。

4 AIS成像光譜儀 AIS成像光譜儀是使用二維探測器面陣的科學(xué)儀器。其 工作原理為：前光具組收集光能，并聚集一個窄縫上，該窄縫 規(guī)定了地面穿軌跡掃描線，即刈幅寬度。通過窄縫的光被光 譜儀的棱鏡或光柵色散，然后重新聚焦到置有兩維探測器列 陣的焦面上。這樣，由光譜窄縫所規(guī)定的穿軌跡掃描線上的 每一個像元在許多鄰近的光譜帶內(nèi)同時成像，光譜帶的數(shù)目 由面陣的光譜尺度決定 ]。 AIS使用了一個32×32元的探測器面陣。此面陣和一個 可動光柵組合，在一條掃描線的時間內(nèi)，光柵能步進四個位置。 這樣，光譜儀在128個光譜帶內(nèi)能同時在穿軌跡方向成32個 像元的像嘲。這樣的光學(xué)安排與掃描系統(tǒng)相比有兩個優(yōu)點：
(1)每個單元探測器能在行掃描的全部時間里把光信號積 分起來。在掃描模式中，探測器只在單個像元時間內(nèi)接受光信 號；因而，對于給定的孔徑，這種模式可獲得更高的信噪比。
(2)列陣中的探測器是準確對準的，像的幾何特征得到改 善。每條掃描線上有32個像元，每個像元有32個光譜取樣， 這些數(shù)據(jù)可以通過列陣的一次讀出獲得。

5 結(jié)語 由于典型吸收特征的光譜都很窄，所以必須提高儀器的 光譜分辨率。這一點很清楚，成像光譜儀作為新一代數(shù)字人 體信息獲取的儀器是必然趨勢。總之，成像光譜儀分辨率用 于數(shù)字人體信息獲取，辨別物質(zhì)組成具有很高的效率。為了 利用0．4～2．4 p．m整個光譜區(qū)內(nèi)的吸收特征就需要有許多 狹窄(10 nm)的鄰接光譜波段。工作在1．2～2．4 p．m波段的 AIS原機為研究新的分析方法提供了重要的數(shù)據(jù)。在0．4～ 2．4 btm波段區(qū)，用大于32像元的刈幅成像，將能更有效地進 行特征的識別和定位。 隨著數(shù)字人體研究的深入和需要，同時進行成像的波段 數(shù)目的增加，利用帶有濾光鏡或雙色棱鏡和光束分離器裝置 的共面線列陣的方法，變得越來越復(fù)雜。用面陣探測器可以 解決成像光譜儀的某些困難。但會帶來一些新的光學(xué)設(shè)計問 題。例如，寬的角視場，寬的光譜區(qū)、高的光譜和空間分辨率， 以及前光學(xué)系統(tǒng)的成像表面同光譜僅入射窄縫相匹配的困難 等。更高的測量輻射靈敏度、更多的波段數(shù)和更窄的波段寬 度，對光學(xué)設(shè)計提出新的要求，并促進了響應(yīng)波長大于1 btm 的紅外敏感探測器面陣的發(fā)展。