（信号与信息处理专业论文）基于干涉成像光谱技术的高光谱图像重构研究.pdf

摘要 摘要 干涉成像光谱技术的兴起是当代遥感技术最重要的发展之一，是当今获取 探测目标三维信息的重要手段。本文首先系统地阐述了成像光谱技术以及高光 谱遥感技术的发展背景和研究现状；着重分析了干涉成像光谱仪的工作原理和 特点，在此基础上对空间调制型干涉成像光谱仪进行详细的介绍；对高光谱图 像重构技术进行了研究，主要涉及到干涉图数据去直流分量和趋势项、切趾处 理、相位校正、傅里叶变换和光谱定标等相关流程。 然后从实际出发，将环境减灾卫星中超光谱成像仪所采集到的干涉数据作 为数据源，根据数据的特点和处理环境的特性，对相关算法流程进行对比、选 择、优化，最后得到1 1 5 个波段的高光谱图像信息。去直流分量采用一阶差分的 方法；切趾函数选择改进后的三角窗进行滤波；根据干涉信息非对称性的不同 特点将相位偏移分为线性偏移和非线性偏移两类，提出了相位粗校正和相位精 校正相结合的相位校正处理方法。 研究结果表明，重构后的高光谱图像清晰度较高，可以发挥其高分辨率的 优势，为后续的地物识别等方面的应用打下基础，对于环境减灾系列卫星的研 制和开发具有一定的参考价值。 关键词：干涉成像光谱仪高光谱图像环境减灾卫星光谱重构 a b s t r a c t t h er i s eo fi n t e r f e r e n c ei m a g i n gs p e c t r o s c o p yi so n eo f t h em o s ti m p o r t a n t d e v e l o p m e n t si nt h ec o n t e m p o r a r yr e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g y , w h i c hi s a l li m p o r t a n t m e m o dt oo b t 2 i i n3 di n f o r m a t i o no f t h et a r g e td e t e c t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h e h y p e r s p e c t r a li m a g er e c o n s t r u c t i o ni ss t u d i e d , a n dt h em a i nw o r k i ss u m m a r i z e da s f o l l o w s ：t h et h e o r i e so fi m a g i n gs p e c t r o s c o p ya n dh y p e r s p e c t r a lr e m o t es e n s i n ga r e s t u d i e d ；t h er e l a t i o no fi n t e r f e r e n c ei m a g ea n ds p e c t r u mr e c o n s t r u c t i o n l sd e s c r i b e d b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fs p a t i a lm o d u l a t i o ni n t e r f e r e n c es p e c t r u m ；t h et h e o r yo f h y p e r s p e c t r a li m a g er e c o n s t r u c t i o n i sd i s c u s s e di n v o l v i n ge l i m i n a t i n gt r e n d - l i n e ， a p o d i z a t i o n , p h a s ec o r r e c t i o n ，f o u r i e rt r a n s f o r i l l ，a n ds p e c t r u m c a l i b r a t i o n u s i n gt h er e a ld a t aa c q u i r e db yt h ei n t e r f e r e n c ei m a g i n gs p e c t r o m e t e ro f i - i j - 1 a s a t e l l i t ea si n p u t d a t at ov e n f yt h ep r o c e d u r e ，a n da f t e rc o m p a r i s o n , s e l e c t i o na n d o p t i m i z a t i o n o fr e l e v a n t a l g o r i t h m s ，1 15w a v eb a n d so fh y p e r s p e c t r a li m a g e i n f o n n a t i o na r ef i n a l l yg o t t e n t h ef i r s t - o r d e rd i f f e r e n c ee q u a t i o n a n dt r i a n g u l l a r 、i n d o wf u n c t i o na r ec h o s e n a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tf e a t u r eo ft h ep h a s eo f f s e t w h i c hi n ( 1 w e l li nt h ei n t e r f e r e n c ei n f o r m a t i o n ，d i v i d e dp h a s eo f f s e ti n t ol i n e a rp h a s e o f f s e ta n dn o n l i n e a rp h a s eo f f s e tt w o u s er e a ld a t ao fh j 1 at oc h e c ki t p a r t s p r o p o s eap h a s ec o r r e c t i o nm e t h o da n d r e s e a r c hr e s u i t ss h o wt h a t ，t h e r e c o n s t r u c t e d s p e c t r u mi m a g e s h a v ea 1 1 i 曲d e f i n i t i o n ，t h u sv e r i f y i n gt h a tt h ei m a g e sp o s s e s s t h ea d v a n t a g eo fh i 出s p e c t r a l r e s o l u t i o na n dc a l lp r o v i d et h eb a s i sf o rs u b s e q u e n ta p p l i c a t i o n ss u c ha sl a n dc o v e r i d e n t i f i c a t i o n e t c m o r e o v e r , i ti sv a l u a b l et os o m ee x t e n tf o rf u r t h e rr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f t h ee n v i r o n m e n ta n dd i s a s t e rm o n i t o r i n gs a t e l l i t e si nt h er 慨 k e yw o r d s ：i n t e r f e r e n c ei m a g i n gs p e c t r o m e t e r ；h y p e r s p e c t r a li m a g e ；e n v i r o n m e n t a n dd i s a s t e rm o n i t o r i n gs a t e l l i t e ；s p e c t r a mr e c o n s t r u c t i o n i i 第1 章引言 第1 章引言 上世纪中叶至今的几十年中，伴随着航天技术、空间光学、精密机械、信 号探测、信息处理以及高速率数据传输技术的飞速发展，空间探测技术得到了 迅速提升，特别是传感器接收波段范围和空间分辨率这两个的重要指标的提高， 使得空间遥感技术越来越受到世人的关注。从2 0 世纪末以来，航天遥感事业进 入获取分辨率高、数据量大、实时性强的崭新阶段，航天遥感技术已逐步走向 实用化、产业化，并在诸多领域都得到了广泛的应用和好评。 成像光谱技术白诞生之日起，就因为其显著优势引起各相关领域的极大兴 趣和关注，目前它已成为人们在光电遥感领域中研究和获取目标二维空间信息 和一维光谱信息即三维信息的重要手段。高光谱遥感由于其在科学研究、环境 保护、社会发展及国家安全等方面的广阔的应用前景，因此越来越受到各国的 重视。 1 1 绪论 遥感1 1 】( r e m o t es e n s i n g ) 即遥远的感知，是指从远处探测、感知物体或事 物的技术：即不直接接触物体本身，从远方通过各种传感器探测和接收来自目 标物体的信息，经过信息的传输及其处理分析，来识别物体的属性及其分布等 特征的全过程。遥感技术是在上世纪后半段迅速发展起来的，它是在综合光学 技术、探测技术、信号处理技术、空间技术，航空航天技术和地学规律等多学 科的基础上发展起来的一门综合性探测技术。 遥感技术的发展1 2 1 先后经历了全色即黑白成像阶段、彩色摄影阶段、多光谱 扫描成像阶段，伴随着上世纪末成像光谱技术的出现，光学遥感在进入了一个 崭新的阶段即高光谱遥感阶段。高光谱遥感是高光谱分辨率遥感( h y p e r s p e c t r a l r e m o t es e n s i n g ) 的简称，它是指具有高分辨率的遥感科学与技术。按照国际遥 感界的共识见下表： 第1 章引言 表1 1 遥感技术分类表 名称光谱分辨率 多光谱( m u l t i s p e c t r a l ) l l o 数量级 高光谱遥感( h y p e r s p e c t r a l ) k l0 0 数量级 超高光谱( u l t r a s p e c t r a l ) l 1 0 0 0 数量级 1 2 成像光谱技术 成像光谱技术的兴起对于遥感领域具有划时代的意义，它是集探测技术、 空间光学、精密机械、信息处理、高速数据传输技术于一体的综合性技术。光 谱成像技术在遥感领域通常有不同的命名，如成像测谱术( h n a g i n g s p e c t r o m e t r y ) 、成像光谱学( i m a g i n gs p e c t r o s c o p y ) 、高光谱遥感( h y p e r s p e c t r a l r e m o t es e n s i n g ) 等。 成像光谱技术是伴随着光电探测技术 3 1 中的成像技术和光谱技术发展而产 生的。其中，获取目标的高清晰度影像信息即空间信息是成像技术主要目的， 光谱技术则将目标的辐射分离成不同波长的谱辐射，以获得较高的光谱分辨率。 成像光谱仪把成像技术和光谱技术结合起来，做到了空间信息和光谱信息的统 一，从而实现对目标的识别分析。 1 2 1 成像光谱仪分类 从技术角度而言，成像光谱仪是在多光谱扫描仪的基础上的发展而来的， 它将成像技术与光谱仪技术结合在一起。根据不同的工作原理，成像光谱仪分 成色散型、干涉型、滤光片型和计算层型1 4 j 。 最常见的是色散型成像光谱仪，分为色散棱镜和衍射光栅型。原理简单、 性能稳定是采用光栅的色散型成像光谱仪的两大优点，但由于能量利用率低以 及对于高灵敏度探测器和光学系统的苛刻要求，这些缺点成为阻碍色散型成像 光谱仪发展的瓶颈。现在成像光谱仪的研究方向多集中在干涉型、滤光片型( 如 劈式、声光调制、电调谐等) 和计算层型。干涉成像光谱仪，特别是傅里叶变 换成像光谱仪，由于其高光谱分辨率、高通量、多通道等优点，拥有巨大的发 展潜力和应用前景。劈式滤光片型的优点是原理简单，缺点也很突出，即工艺 复杂；采用调谐滤光片的成像仪可以任意选择波段，操控性好，但缺点是很难 2 第1 章引言 同时获得多波段的图像。计算层型的相关研究才刚刚起步，是成像光谱仪今后 发展的方向。 图1 1 成像光谱仪分类图 1 2 2 成像光谱技术发展现状| 5 l 成像光谱仪一般有几十到几百个波段，且波段宽度小于1 0 n m ，它能为每个 像元提供光谱信息。这些信息共同组成了一条完整而连续的光谱曲线，从而实 现了目标的空间信息和光谱信息的同步获取。 1 9 8 3 年，美国国家航空和航天管理局( n a s a ) 所属的喷气推进实验室设计研 制成功了世界上第一台成像光谱仪a i s - l ( a e r oi m a g i n gs p e c t r o m e t e r - 1 ) ，它的出 现标志着世界上第一代高光谱分辨率传感器面世。a i s 1 和a i s 2 都具有1 2 8 波 段，其光谱覆盖范围为1 2 2 4 u m 。 1 9 8 7 年，第二代高光谱成像仪出现是以航空可见光红外光成像光谱仪 ( a v i r i s ) 的发明为标志的。随后加拿大、澳大利亚、法国等国家也加紧研制各 自的成像光谱仪。在a v i r i s 取得成功之后，用于环境监测和地质研究的高光谱 分辨率扫描仪( g e r i s ) 由美国地球物理环境研究公司( g e r ) 研制成功。 2 0 0 0 年7 月，第三代高光谱成像光谱仪的代表，即由美国发射的m i g h t s a t i i 卫星上搭载的傅里叶变换高光谱成像仪( f o u r i e rt r a n s f o r mh y p e r s p e c t r a li m a g e r f t h s i ) 成为干涉成像光谱仪的成功典范。从那时起，干涉成像光谱技术逐步成 为高光谱遥感技术中的核心。 我国对于成像光谱技术的研究起步较晚，在过去的十几年中，先后完成了 成像光谱仪的理论研究和技术实现。如1 9 9 7 年中科院西光所空间光学研究室提 出了“双角反射体分束空间响制干涉成像光谱仪 的原理模型。1 9 9 8 年，中科 院长光所应用光学国家重点实验室设计并研制成功三角共路型傅里叶变换成像 光谱仪原理样机并实现了外场成像。 3 第1 章引言 2 0 0 7 年1 0 月2 4 日，我国成功发射了“嫦娥一号”绕月探测卫星，卫星上搭 载了由我国自行研制的干涉成像光谱仪和c c d 立体相机，该干涉成像光谱仪用 于月球表面物质类型含量和分布的探测与分析，下图为其实物图。2 0 0 8 年9 月 6 日我国发射的h j 1 a 卫星上搭载了超光谱干涉成像仪，这是我国首次在民用卫 星中使用此类传感器。 图1 2 “嫦娥一号”卫星中干涉成像光谱仪实物图 1 3 高光谱遥感技术 高光谱遥感是一门新兴的交叉学科，它使得在宽波段遥感中不可探测的物 质，在高光谱遥感中被探测成为了可能，因此其拥有广阔的应用前景。高光谱 数据在包含了二维的空间信息的同时还包含大量的一维光谱信息，其数据成立 方体结构，如下图： 图1 3 高光谱遥感数据立方体 4 第1 章引言 1 3 1 高光谱遥感系统 现代高光谱遥感系统除了成像光谱仪外还包括高光谱图像信息处理系统， 高光谱遥感中的关键技术【l j 有： 1 、新型探测器焦平面技术 探测器焦平面技术的发展【3 】是成像光谱仪的发展的基础。目前世界上用于可 见光、近红外波段的硅焦平面探测器技术己十分成熟；红外焦平面器件性能的 提高极大的推动了红外波段的成像光谱仪的发展；l n s b ，h g c d t e 现今已成为在 短波红外光谱段常用的器件。 2 、新型光谱仪技术和精密光学技术 光谱仪是成像光谱仪系统中的核心部分，随着新型光谱仪技术的发展，光 谱仪的种类也越来越多，常用的主要有傅里叶变换光谱仪、渐变滤光片光谱仪、 旋转滤光片轮光谱仪、声光调制器光谱仪等。 3 、无损压缩技术和高速信号处理技术 由于高光谱数据不仅包含空间信息还包含大量的光谱信息，海量数据对于 数据的记录和传输造成了很大的压力，针对成像光谱数据的实时无损压缩技术 应运而生，并已经成为高光谱遥感处理领域的一项关键技术。目前计算机技术 的飞速发展，计算能力得到大幅提高，存储设备的记录速度、容量呈指数上升 趋势，而价格却在不断下降，这些都极大的刺激了高光谱遥感技术的发展。 4 、高光谱遥感数据定量化技术 为了更好的发挥高光谱数据的优势，高光谱数据必须从定性的解释走向定 量的计算分析阶段。所以，光谱定标、辐射定标以及数据的定量化反演成为高 光谱遥感中不可或缺的组成部分。 5 、高光谱遥感信息处理技术 a , 6 1 针对高光谱遥感数据波段多、光谱分辨率高数据量大、数据率高等特点， 高光谱信息处理要解决以下几个技术重点： 海量数据的高比例“非失真 压缩技术； 高光谱遥感数据的高速化处理技术； 光谱及辐射量的定量化和归一化技术； 高光谱遥感数据特征图像提取及三维数据的可视化技术； 地物光谱模型及识别技术； 5 第1 章引言 高光谱遥感数据在地质、农林、植被、海洋、环境、大气中应用模型的 建立。 1 3 2 高光谱遥感应用n 1 2 】 从干涉图像反演出目标光谱信息，这是高光谱遥感的最大优势。由于获取 的光谱信息在军事和民用两方面都有着巨大使用价值，使得成像光谱技术成为 各国优先发展的技术之一。 成像光谱技术与传统的可见光侦察技术相比对伪装和隐蔽目标拥有更强的 识别能力，因而可以广泛的应用于军事领域。在目标防御技术飞速发展的今天， 可见光侦察技术失灵或失误的概率越来越高，严重影响着军事打击的准确性和 安全性。干涉成像光谱仪不仅可以获得空间信息，还能获得多谱段的光谱信息， 因此可以通过地物目标光谱信息的不同来进行识别，用以判断伪装目标、军事 设施、武器弹药性质等军事目标。 ( 1 ) 军事目标的识别 识别敌人伪装是战争中一个重要的问题。就目前而言，改变目标的外表颜 色特征是最常用的伪装手段。由于不同物质具有不同的光谱特性，我们利用高 光谱遥感技术所获得的光谱信息就可以轻而易举的发现目标。 ( 2 ) 武器生产情况的调查 生产不同的武器，所需的原材料具有很大的差异，因而武器工厂排放的烟 雾就有不同，通过高光谱遥感采集到烟雾的光谱信息，通过样本对比可以判定 生产的武器类型。 ( 3 ) 打击效果的评估 在大规模战争结束后，通过对比战场前后光谱信息的变化，对于地面打击 效果进行评估，如打击后弹坑、燃烧点、被摧毁建筑及军事目标的识别，并可 为二次打击提供详实可靠的战场情报。 ( 4 ) 武器使用的探测 大规模杀伤性武器成为当今战争的一大禁忌，它包括化学武器、核武器和 生物武器。探测器需要具有超高的灵敏度和光谱分辨能力才能实现武器所产生 烟雾的探测，从而可以获得战场上各种武器的使用情况特别是核武器或生化武 器的使用提供了判断依据。 ( 5 ) 海军作战的应用 6 第1 章引言 海水深度、海滩特征、水下暗流、潮汐、水体透明度和能见度等信息都可 以利用成像光谱仪得以探测，这为海军抢滩登陆战、深海联合作战以及大范围 战略转移提供了详实可靠的信息。 成像光谱技术在民用方面也有巨大的应用潜力和应用前景。 ( 1 ) 在地质方面的应用 地质勘探领域是高光谱遥感最常用也是最成功的一个领域。由于不同的岩 石和矿物吸收、反射光谱的特点可不相同，根据高光谱遥感光谱分辨率高的特 点，进行大范围的矿产勘查、岩石矿物的分类统计。 ( 2 ) 在植被检测中的应用 不同的植物对于光的吸收和反射的特性不同，即使相同的植物在不同时间 也表现出不同的光谱特征，这使得高光谱遥感在植被研究中的应用提升到生态 意义的高度。通过对高光谱遥感数据进行相关处理后，用于植被参数估算、统 计、分析，实现植被长势监测以及估产。 ( 3 ) 在农业中的应用 通过不同时期农作物表现的光谱信息的不同，实现高光谱在农业中的应用。 利用高光谱遥感可以近乎实时地、精确地获知农作物生长状态以及环境变化等 信息，从而可以宏观上对农作物的长势及产量进行控制，达到减少不必要浪费， 增加农作物产量的目的。 ( 4 ) 在大气和环境方面的应用 近年来，大气中的分子和粒子成分和浓度如二氧化碳、氧气、臭氧、粉尘 颗粒和p m l o 和p m 2 5 越来越受到人们的关注。高光谱遥感凭借其很窄波段对大 气中分子和粒子的光谱差异进行识别。 此外，人们周围的生态环境情况也可以通过高光谱遥感做出定量的分析。 环境污染是近年来人们比较关往的环境问题，利用高光谱技术可以探测到污染 地区的化学物质异样，并可追溯到污染源，从而确定污染区域及污染原因。高 光谱图像还可以探测危险环境因素，如提前发现台风并预测其路线，精确识别 危险废矿物，检测森林大火等。 1 4 课题背景与意义 成像光谱成像技术是具有重大应用前景的高新技术，近年来受到人们的广 7 第1 章引言 泛研究和关注。我国在2 0 0 7 年1 0 月2 4 日发射的嫦娥一号绕月卫星上首次搭载 了超光谱成像光谱仪，并在2 0 0 8 年9 月6 日发射的h j 1 a 卫星时首次在民用卫 星中使用该传感器。就全人类而言，将成像光谱仪放入航天飞行器进行实际应 用尚处于尝试阶段。我国对成像光谱仪采集的数据的各种处理还不完善，对于 数据的后续应用潜力还有待进一步发掘。 成像光谱成像仪采集到的数据在包含地面景物空间信息的同时，还包含了 景物上百段的光谱信息，这是其它遥感器所不能比拟的，这使得遥信息量大大 增加，因而应用前景十分广阔。但也正是由于高光谱数据这种特点，大大增加 了对其研究和应用的难度。 鉴于上述现状，本课题的研究意义在于： 1 、认识并了解成像光谱光谱仪的工作原理，特别是对空间调制干涉光谱成 像仪的工作原理进行研究，对于成像光谱光谱仪的优缺点进行讨论，对我国未 来成像光谱技术的发展和应用都会有一定的参考价值； 2 、通过对光谱重构中干涉数据预处理、光谱复原处理、光谱定标三大部分 的算法、模型、参数进行仿真、对比、选择，得到具有较高光谱分辨率和准确 性的光谱信息及地物空间信息，为后续应用提供了保障； 3 、通过对h j l a 卫星上搭载的干涉成像仪所采集的干涉数据进行光谱重构 技术的研究，为我国今后遥感领域的高光谱应用积累经验，对于后续环境减灾 系列卫星的研制和开发具有一定的参考价值。 1 5 论文主要研究内容 第一章为引言，简要阐述了成像光谱技术和高光谱遥感技术，介绍了成像 光谱技术国内外发展现状以及高光谱遥感系统分类与应用，指出课题背景与意 义，最后总结了论文研究的主要内容。 第二章介绍干涉成像光谱仪的相关内容，先对干涉成像光谱仪的分类和主 要优点进行了分析，随后重点阐述了空间调制干涉成像仪的工作原理，最后对 干涉成像仪所获取的数据立方体特性进行分析说明。 第三章涉及的是高光谱图像重构技术，我们将光谱重构技术分为干涉数据 预处理、光谱复原处理和光谱定标三个阶段，对干涉数据预处理中的去直流和 趋势项、切趾处理、相位校正处理以及光谱复原处理和光谱定标的理论和流程 8 第1 章引言 进行了介绍。 第四章是干涉数据预处理，首先对于环境减灾卫星进行介绍，着重分析了 超光谱成像仪和原始数据特点，随后对h j 1 a 数据进行干涉数据预处理，根据 数据特点和运行环境对于算法进行了优化和讨论。 第五章介绍了h j 1 a 数据的光谱复原和光谱定标，对于经过预处理的数据 进行傅里叶变换和光谱定标，最终得到与1 1 5 个波段相匹配的输出数据，为后 续高光谱数据的应用提供了基础。 第六章是对于全文的总结，介绍了课题的作用和意义，提出了本课题需要 进一步讨论的问题和建议，为后人的工作提供一定的指导价值。 9 第2 章干涉成像光谱仪 第2 章干涉成像光谱仪 干涉成像光谱仪作为成像光谱仪中重要的组成部分，它能够提供被测目标 的窄带光谱信号，这些信号具有采样连续和多光谱通道的特点。根据这些特点， 干涉成像光谱仪根据不同地面物质对太阳光的吸收、反射特性和其自身发射的 光谱特性，实现地面物体类型的识别与地面像元物质成分的分析。因而干涉成 像光谱仪在军事侦察、环境监测、资源调查、灾害预报等许多领域都有其重要 的实用价值。 2 1 干涉成像光谱仪分类 随着干涉成像技术的飞速发展，出现了不同类型干涉成像光谱仪。按照干 涉成像光谱仪调制方式【l3 】即分光原理的不同，可以分为两大类：一种是时间调 制干涉成像光谱仪( t e m p o r a r ym o d u l a t ei n t e r f e r e n c ei m a g i n gs p e c t r o m e t e r ) ，另一 种是空间调制干涉成像光谱仪( s p a t i a l l ym o d u l a t e i n t e r f e r e n c ei m a g i n g s p e c t r o m e t e r ) 。时间调制干涉成像光谱仪也被称为迈克耳逊干涉成像光谱仪或者 动态干涉成像光谱仪【1 4 】；空间调制干涉成像光谱仪又被称为静态干涉成像光谱 仪。下图所示为干涉成像光谱仪的树形分类结构图： 。 ( 干涉型l 、- ，_ ，一一7 上二、j 一一 按调制按分光 f 按光谱的、按光谱1 方式分j 束数分 r 重构原理分【数分。 一 一 一一 一一一 时间空间 双多 直傅里层多，高 超： 调制 调制【光光；接：r 叶变- ：析1 ：光j ；光i 光 1 型! 型! 束l 束i 型【：换型：型 l 谱! ；谱l 谱： 一、一 、- l 图2 1 成像光谱仪分类树形图 此外根据分光元器件的不同来分类，空间调制干涉成像光谱仪又可分为： 如双折射型、s a g n a 型、轻型高灵敏度型等。 根据形成干涉图时光束的数量，可以将干涉型成像光谱仪分为双光束干涉 1 0 第2 章干涉成像光谱仪 成像光谱仪和多光束干涉成像光谱仪两类。 从光谱重构的理论的角度来看，干涉成像光谱仪又可以分为：直接型、傅 里叶变换( f o u r i e rt r a n s f o r m ) 型、层析( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ) 型三类。 根据光谱成像仪最终获取光谱信息的多少即根据光谱分辨率的大小，成像 光谱仪还可以分为多光谱成像仪、高光谱成像仪、超光谱成像仪等。 时间调制型干涉成像光谱仪是基于迈克尔逊型干涉原理1 1 5 】的干涉仪，其原 理如下图所示。图中o 代表成像目标，l 是前置成像系统，s 是狭缝，l 1 是准 直镜，l 2 是干涉傅里叶透镜，m 2 是静止反射镜，m 1 是动镜，d 是探测器。对 于动镜驱动系统的高精度要求以及实时性不好是时间调制干涉成像光谱仪的两 大缺点。 图2 2 时间调制型干涉成像光谱仪原理图 上世纪末至今，随着面阵探测器关键技术的突破，空间调制干涉成像光谱 仪得到飞速发展。空间调制干涉成像光谱仪具有波段更宽，抗震能力更强，体 积更小，重量更轻，性能更稳定，实时性更好等诸多优点，特别适合应用于航 天领域。它在具备动镜扫描干涉成像光谱仪主要优点的同时还大大降低研制成 本。空间调制型干涉成像光谱仪是在同一时刻、在探测器阵列的不同空间位置 上获得目标各个光谱的干涉图样的线性叠加，这与时间调制型干涉成像光谱仪 的工作原理不同。静态m i c h e l s o n 干涉仪、改进型马赫泽德干涉仪、三角共路 型干涉仪和双折射偏振干涉成像光谱仪【1 6 1 是静态成像光谱仪中常用干涉系统的 主要类型。下图所示的干涉光谱仪是以双折射棱镜作为分光元件的，它将狭缝 垂直于光轴等光程的分开。图中o 为待成像目标，l 为前置成像系统，s 为狭缝， l l 和l 2 分别为准直镜和正透镜，p l 和p 2 分别为起偏器和检偏器，w 为双折 射棱镜，c 为柱面镜，d 为焦面系统。 第2 章干涉成像光谱仪 、尸la ； 么 。然 i可i 、。 么 z 7j 一 图2 3 双折射型干涉成像光谱仪光学原理图 相比空间调制干涉成像光谱仪，更高的能量利用率和极高的光谱分辨率高 是时间调制干涉成像光谱仪的特点，但其不能测量速变物的光谱且需要克服超 高精度动镜驱动系统的难题成为使用的瓶颈；而空间调制干涉成像光谱仪如双 折射型干涉成像光谱仪和s a g n a c 型干涉成像光谱仪，不仅具备对光谱和空间变 化物的光谱测量的能力，还拥有良好的抗震和抗扰动能力。正是由于上述优点， 空间调制干涉成像光谱仪成为航空航天领域中的新一代成像光谱仪【1 7 】。上述两 者共同的不足之处是光谱分辨能力有限，光学系统结构相对复杂都需要狭缝， 这使得光通量和信噪比的进一步提高受到限制。 2 2 干涉成像光谱仪特点 干涉成像光谱仪与传统带狭缝的棱镜、光栅等色散型光谱仪相比，具有高 通量、多通道、高测量精度、杂散光低等突出优点【l 引。 1 、高通量 高通量的优点也称为j a q u i n o t 有点，是由j a q u i n o t 首先发现的。入射狭缝的 存在是色散型的光栅光谱仪或者棱镜光谱仪中的一大特点，然而光谱分辨本领、 进入系统的光通量和狭缝的宽度却互为制约关系。由于干涉型成像光谱仪拥有 不同的结构，因此无此限制。干涉型成像光谱仪在整个测量过程中所有光谱元 都参与到数据的采集，在相等的配置条件下，干涉型成像光谱仪比色散型成像 光谱仪的光能利用率高可以高出十倍甚至更多。 2 、多通道 多通道优点也称为f e l l g e t t 优点，是由英国科学家f e l l g e t t 发现的。干涉型 光谱成像仪同色散型光谱成像仪进行对比来看，在获取光谱信息上具有多通道 优点。比如完成一张完整的光谱图的测量的总时间为t ，谱元数量为m 个，我 们知道复原光谱的信噪比与测量时间的平方根成正比，由于干涉型光谱成像仪 1 2 第2 章干涉成像光谱仪 同色散型光谱成像仪测量方式的不同，则干涉成像光谱系统的信噪比要比色散 型的好m 倍。 3 、高测量精度【1 9 1 高测量精度也称为c o m e s 优点，法国物理学家c o m e s 在研究发现干涉光 谱仪这一特点，复原光谱在光程差测量不准的情况下中会出现“鬼线”( g h o s t ) ， c o m e s 使用激光干涉条纹来高精度地测量动镜的位移的方式用于消除这些鬼 线。这就使得干涉成像光谱仪比常规分光计测定的波束的准确性更高，被称为 c o n n e s 优点。 4 、杂散光低 由于干涉成像光谱仪的成像原理，某一波数光的强度通过杂散光叠加到另 一波数光的强度上可能性变得很小。通常杂散光都低于0 0 1 0 0 3 ，所以它 对光谱的影响几乎可以忽略。 此外，干涉成像光谱仪还具有高光谱分辨率、高通过率和宽光谱范围【2 1 】等 特点，所以在航空航天遥感领域倍受重视。近年来，傅里叶干涉成像光谱仪发 展迅速，已经成为遥感领域的一大研究热点。 2 3 空间调制干涉成像光谱仪 2 3 1 结构组成 空间调制干涉光谱成像仪( s m i f t s ) 是通过两束入射光之间的干涉关系来 反演入射光谱的成像技术1 2 2 。如下图为其仪器组成图，主要包括前置光学系统、 横向剪切仪、傅里叶光学系统、柱面光学系统和探测器等部分。 s l 口l a c i n t e r f e r o - e t e r - - - - - 一d e t e c t o r 图2 4 空间调制干涉成像光谱仪组成图 1 3 第2 章干涉成像光谱仪 2 3 2 工作原理 虽然傅里叶变换光谱仪中虽然已经发展出各类干涉仪，但是它们工作的基 本原理都是相同的，即迈克尔逊干涉原理。空间调制干涉光谱仪与迈克尔逊干 涉仪的不同在于后者是通过控制动镜的移动1 2 3 ，2 4 】( 即控制光程差) 来获得两相干 光的，而前者是采用横向剪切仪来获得的，其根本原理没有发生改变，迈克尔 逊干涉原理如下图所示。 固定平面镜1 ji 1 一 一l 、 一 i i 分柬器 1 + _ - 探测器c c d 图2 5 迈克耳逊干涉成像原理图 空间调制干涉光谱成像仪的成像过程可概括【2 5 1 为：通过不同的横向剪切分 光束方法，将同一入射光束剪切成主光线与光轴平行的两束相干的输出光束； 两束光束在通过傅里叶光学系统后变的准直、倾斜，然后它们在光通面处复合； 倾斜的波阵面产生一系列干涉图形，然后由探测器阵列将该图形进行采集，通 过一系列的信息处理、傅里叶还原等，就可以得到干涉仪入射处的光谱信息， 即对应目标的光谱信息【2 2 】。这样，面阵探测器在某一时刻，可以得到一维空间 信息和一维光谱信息，剩下的一维空间信息依靠仪器的扫描得到，最终得到目 标的立方体信息。 2 4 干涉数据立方体特性 相比一般的光学相机而言，干涉成像光谱仪最大的特点在于其数据的立方 体特性，通常被称为数据立方体( d a t ac u b e ) ，由二维的空间维和一维的光谱维组 成。c c d 面阵焦平面上的一维像素于聚集空间信息，而另一维的像素用来采集 组成光谱域的干涉条纹信息，遥感平台的运动为连续空间数据的获取提供了途 1 4 第2 章干涉成像光谱仪 径，从而构成了干涉数据立方体。 对于空间图像中的每一点，在原始数据立方体中按照干涉维展开，可以得 到这一点对应的干涉曲线；当原始立方体数据经过傅里叶变换反演处理【2 6 j 后， 对每个空间地面像元点按照光谱维展开可以得到该点对应的光谱曲线。由于地 物组成成分的不同，不同成分地物点对应的光谱曲线分布也会存在差异，从而 可以利用求得的地物光谱曲线分布与标准光谱库比对来进行目标识别和分类 【2 7 1 。下图所示为从c c d 的角度看干涉数据的立方体特性图，c c d 工作的一个 时刻采集到立方体数据一维的空间信息和一维的干涉信息，c c d 的连续扫描将 获得地面景物另一维的空间信息，如下图所示。 图2 6c c d 角度看干涉数据立方体特性 2 5 本章小结 本章介绍干涉成像光谱技术的相关内容：首先对成像光谱仪做了简单的介 绍，阐述了干涉成像光谱仪的分类；与传统色散型光谱成像仪相比，指出了干 涉成像仪的突出优点；着重介绍了双光束空间调制傅里叶干涉成像光谱仪的结 构组成和工作原理；最后详细说明了干涉成像仪干涉数据立方体特性，为后面 光谱复原和光谱定标处理的研究打下良好的基础。 1 5 恍憎雌 第3 章高光谱图像重构技术 第3 章高光谱图像重构技术 光谱成像仪可以同时获取地物目标的空间信息与光谱信息，较之普通光学 相机来说，极大地提高了探测与识别的精度，在遥感领域得到了广泛的应用。 基于干涉成像光谱仪的特殊工作原理，根据定量遥感应用技术的要求，干涉成 像光谱仪采集的干涉信息必须经过光谱重构处理才可以被人们所用。 高光谱图像重构处理是干涉成像光谱技术应用前必需的处理步骤，干涉数 据只有经过反演处理得到对应地物的光谱曲线后才能被人们利用，否则干涉数 据本身没有任何遥感使用价值；光谱重构后结果的优劣直接制约着后续光谱信 息的应用，以及干涉成像光谱仪的使用范围，代表着干涉成像光谱仪性能的优 劣以及干涉光谱技术的水平。 根据上一章中介绍的干涉成像光谱仪的工作原理可知干涉图的实质是光谱 图按傅里叶变换的分布，所以干涉仪在探测器面阵上产生的干涉图像被探测器 接收后经过f o u r i e r 变换即可获得对应的光谱图像。 下图所示为从干涉图数据获得目标光谱图的处理流程图： l 干卜 原1 始 数 据 预 处 | 涉 - - 弋 理 | 图 一 去 直 流 和 趋 势 项 也u 翟l j 7 丁。7 旷 傅 i 光 里 定 叶 谱 变 换 拳界 i- 图3 1 高光谱图像重构流程图 需要指明的是：基于傅里叶干涉光谱成像仪工作原理，对干涉数据中一地 物点干涉信息的复原处理可得到该目标点对应的光谱曲线；对其它地物点干涉 数据重复相同的处理，再通过拼接就可以构成一块完整地物的光谱图像序列【2 8 】； 所以后续对光谱重构的研究都从单个地物点干涉信息的研究入手。 3 1 干涉数据预处理 干涉数据预处理主要包括去直流和趋势项、切趾处理、相位校正，其处理 的最终目的是为光谱复原和光谱定标服务，即尽可能多地消除干涉信息中的干 1 6 第3 章高光谱图像重构技术 扰因素。通过去直流和趋势项以及切趾处理来实现对有效干涉信息的提取。相 位校正主要是针对干涉信息的相位漂移所做的修i - f 2 9 。 3 1 1 去直流和趋势项 干涉数据中包括直流分量和交流分量，而且光谱信息主要包含在干涉信息 的高频成分中，所以在对干涉信息进行复原处理前，必须对干涉信息进行直流 去除处理，用于去除低频分量对光谱复原准确度的影响。 理想情况下，不含直流分量的干涉曲线应该是强度以零为中心上下震荡， 并且随着光程差的增大强度逐渐减弱的类似正弦分布的信号。直流去除的目的 就是使复原前的干涉信息尽可能接近理想情况下的分布，这也是直流去除效果 判断的依据。 根据干涉成像仪的工作原理、光信号的传播特性及干涉原理可以得出如下 判断直流去除处理效果的标准： 1 、各地物点直流去除后的干涉曲线中，干涉强度的变化趋势整体上应该是 以0 值为对称的，干涉强度对称中心偏离零值较远说明直流去除处理不彻底； 2 、干涉曲线变换趋势几乎不变，信号干涉强度值在零光程位置达到最强， 且小双边干涉信息关于零光程位置对称； 3 、在远离零光程位置的地方，随着信号传播能量的减弱，干涉信息强度越 来越弱，信噪比越来越小，但干涉强度变化仍以0 值为对称中心。 从信号处理的角度看，去除直流分量的原理是先求得信号的直流分量大小， 再将其从信号中去除；实际中常采用信号的均值作为直流分量，然后整体减去 该均值。具体到此处，由于干涉成像光谱仪探测器采集数据时采用过零采样的 方法，所以又可以分为采用单边数据的均值作为直流分量、采用小双边的均值 作为直流分量、采用干涉信息整体均值作为直流分量等；通过对实验数据的上 述不同处理结果观察发现，它们都能有效去除直流分量，并且直流去除效果差 别不大。 从图像处理的角度看，常采用一阶差分处理来去除基线，进而达到去除低 频分量的目的。一阶差分处理在此处的作用相当于对干涉数据做高通滤波处理， 主要用来突出图像的快变化成分，进而达到直流去除的目的。 由于在采集过程中杂散光等外界因索的影响1 3 0 】，得到的干涉图背景并不均 匀，存在着一种随光程差而缓慢变化的趋势。趋势误差会导致相关函数、功率 1 7 第3 章高光谱图像重构技术 谱函数在处理过程中出现变形，甚至造成谱估计在低频时的完全失真。消除趋 势项的方法有多种，主要根据干涉数据本身的特征、算法模型等因素【3 l 】而定。 一般采用的是最小二乘方法或去基线的方法。 最小二乘方法一般适用于对于随机信号和稳态信号；去基线法则要求找到 零光程差点n ，对于零光程差点后的各点采用前项减后项，对于零光程差点n 前各点采用后项减前项。此算法简单，速度快，但在精度上稍显不足。 3 1 2 切趾处理 切趾处理的实质就是给干涉信号增加了一个窗函数，用来抑制实际测量过 程中只能到某一有限的光程差而造成的光谱畸变【3 2 】。 根据傅里叶变换光谱学的理论，对干涉信息进行光谱复原获得光谱曲线时， 理论上，傅里叶变换的积分限为无穷大；但工程实际中，干涉仪采样的光程差 总是有限的，干涉图在某一最大光程差处截断。干涉图在某一最大光程差处截 断的实质相当于给干涉信号加了矩形窗函数【3 3 】，利用傅里叶变换的卷积定理可 知，这一截断处理对波数域光谱曲线的影响相当于将理想光谱信号与干涉域所 加矩形窗函数对应的仪器函数s i n e 函数做卷积运算，如图3 2 所示。 ； 蓄 嚣 坯 羹 图3 2 矩形切趾函数对应仪器函数 一 理想情况下，光谱曲线应该是互不相关的冲击串，而s i n e 函数具有一定的 带宽和明显的旁瓣，因而两者卷积后会造成复原光谱与真实光谱间存在明显的 ， 1 8 第3 章高光谱图像重构技术 畸变，有时还会使光谱混叠而不可分辨【3 4 1 。在傅里叶光谱复原中上述s i n c 函数 被称为仪器函数，它是一个振荡收敛函数，如下图所示，它有一系列旁瓣，虚 假信号一般来源于正值旁瓣，而邻近的微弱信号一般被淹没在强大的负旁瓣中。 所以我们需要采取切趾的方式来抑制旁瓣。 在实际中，切趾函数的选择应根据实际情况来决定，选取切趾函数应遵循 以下四个原则【3 5 】： l 、仪器函数的相对半高宽尽可能小； 2 、仪器函数的相对次极大旁瓣尽可能小； 3 、仪器函数的旁瓣衰减速度尽可能大； 4 、仪器函数对各光谱元间的统计独立性的破坏程度尽可能小。 有效的切趾函数在降低仪器函数旁瓣的同时，会增加仪器函数的半高宽， 从而降低分辨率【3 6 1 。可见，切趾效果与分辨率是一对矛盾，常用的切趾函数有 三角函数、汉明函数、高斯函数、梯形函数等。不同的切趾函数，对光谱分辨 率的影响和切趾效果是不同的。 3 1 3 相位校正 理想情况下，干涉图与光谱图都是理想的实对称函数，它们之间存在傅里 叶变换的关系。由于在实际仪器中不可避免的带有各种误差【3 7 1 ，所以实际采集 来的干涉图不再是理想的。在理想状态下，干涉图的表达式为 巴 j ( x ) = lb ( v ) e 嘞“咖= 刀【曰( v ) 】 ( 3 1 ) ， 曰( v ) = i1 ( x ) e 功”咖= 刀1 ，( x ) ( 3 2 ) 而这时的光谱带有了相位误差，妒( v ) 是相位误差因子，则表达式为 b ( ，) = - f ，( x 沁堋”k 勘“d r ( 3 3 ) 因此，反演算法的核心所在就是相位修正，只要得到相位因子妒( v ) ，就可 以得到真实的光谱。 为了消除相位误差的影响，应求得修正因子p 。机”，( 驴( v ) = 妒( v