用高光谱和偏振图像进行遥感.doc

用高光谱和偏振图像进行遥感.txt生活是过出来的，不是想出来的。放得下的是曾经，放不下的是记忆。无论我在哪里，我离你都只有一转身的距离。红外月刊2003用高光谱和偏振图像进行遥感引言由于物体发射或反射的光中具有丰富的光谱成分，用高光谱成像技术进行目标探测和识别是很有希望的、一般说来，图像中的光谱成分可以利用具有光谱分离功能的滤光或分色元件如声光可调谐滤光片(AoTF卜滤光片轮、衍射光栅以及棱镜等获得。为了对快速变化的场景进行超光谱成像，最好是选择一种灵活、可编程的滤步元件，因为谱段的选择是与目标以及背景有关联的。高光谱成像技术目前还没有得到普及其主要原因之一是采用传统技术的高光谱成像需要处理大量数据。基于AoTF技术的成像器，可以给下一代紧凑、轻量、低成本、可编程的高光谱成像系统的研制带来许多便利。它们不仅可以解决数据瓶颈问题，而且还可以提供偏振特征，从而形成更好的目标探测和辨别能力。诸如土壤和植被之类的天然物体一般都有许多不规则的形状，在许多应用中，它们常常是人们所关注的背景。与这种天然物体相比，人造目标的偏振特征则更容易分辨。具有光谱和偏振鉴别能力的高光谱成像系统将会在未来的各种遥感应用中作出重大贡献。美国陆军研究实验室目前正在研制小型、紧凑、抗振动、坚固、灵活、便于携带的高光谱/偏振成像仪，这些成像仪都是用AoTF作为自适应色散元件的。用AOTF作为可编程体积光栅，可以制造出能够以顺序方式或者随机方式从紫外到远红外的宽波长范围内快速调谐(数十微秒)，并能用相当窄的波段获取图像的高光谱成像仪。由于能以灵活的方式从这种成像仪中获得光谱图像，人们便可以只获取那些有用的光谱图像，而无需像传统的高光谱成像仪那样做大量的数据处理和存储工作。AoTF的另一个特点是，它是一种全偏振器件。人们可以用它来设计一种分光偏振成像仪，例如，人们可以将.AOTF同两台分立的摄像机一起使用，以同时获取两幅正交偏振图像;或者将AoTF同一台摄像机和另一种偏振器件如可变延迟板一起使用，以获取具有不同偏振特性的连续图像。在AOTF中，人们是通过给一块双折射晶体施加射颜(rf)声波来建立一个移动衍射光栅的。根据用于制备元件的双折射晶体的不同，AOTF可以被制成共线型或非共线型。在共线结构(采用诸如石英、妮酸铿之类的晶体)中，入射光、衍射光及声波是朝同一个方向行进的。入射光束和衍射光束的偏振是正交的，可以用一组偏振器进行分离。在非共线元件(采用诸如TeO:、HgZCI:之类的晶体)中，入射光束和衍射光束的行进方向与声波的不同。向上漂移和向下漂移的衍射光束为正交偏振，它们互相之间在空间上是分离的，而且当它们从晶体中出射时，与未衍射光束也是分离的。由于AOTF能够在比较短的时间内得到调谐，它们也许比较适合在目标和背景场景变化非常快的场合使用。分光偏振系统的总速度还取决于另一个偏振器件即延迟板的速度。另外，AOTF还允许同时应用多个射频信号，这对于同时选择多个谱段和改变仪器的光谱分辨率都是有用的。在一个谱段不足以进行精确鉴别和辨认的情况下，这可以用来测量目标和背景的复合分光偏振特征。本文简要介绍美国陆军研究实验室研制的一种覆盖可见光至近红外谱区的紧凑型分光偏振成像仪的设计原理。该分光偏振成像仪是利用一个非共线Teo:AOTF和位于该AoTF前面INFRAREn(MoNTH昨)/AUG2003第8期红外月刊的一块向列液晶可变延迟板来获取具有不同偏振特性的图像的。研究人员曾经在实验室内和室外用它获取过分光偏振图像。下面将介绍他们从室外实验中获得的一些数据以及用这种数据进行分析的结果。2AOTF分光偏振成像仪美国陆军研究实验室已研制了四台独立的覆盖可见光至长波红外谱区的AOTF高光谱成像仪。另外，他们还设计了一台分光偏振成像仪，这台分光偏振成像仪是采用让来自场景的入射白光先通过一个偏振选择器件然后再通过焦平面前面的一个光谱选择器件的思想设计的，其偏振选择器件为一种可通过电子方法调谐的液晶可变延迟板，而光谱选择则是用一个AOTF进行的。图1示出了该偏振成像仪的总的设计概念。通过在AoTF前面放一个可通过电子方法调谐的延迟板，该仪器便可以测量目标的偏振特性。图像立方体是通过改变施加于AOTF上的射频从而改变随时间而变的过滤波长形成的。美国陆军研究实验室研制的四台不同的成像仪工作于下面四个波长区:0.4拜m1.0拼m可见光近红外波长区;已9脚、1.7拼m短波红外波长区;2.0脚、4.5月m中波红外波长区以及8.即mn.5拼m长波红外波长区。前面三台成像仪采用一种TeO:AoTF，而长波红外成像仪则采用一种TIAsseAOTF。这些成像仪根据有关谱区的需要，分别采用不同的焦平面列阵一SiCCD、InGaAs、Insb和HgCdTe。可见光近红外成像仪采用非致冷CCD，短波红外成像仪采用非致冷InGaAs焦平面列阵，中波红外成像仪采用液氮致冷的工nsb焦平面列阵，长波红外成来自场景的白光.传分-卜今条一十令一卜令偏振白光一.一).闷卜令可用电子方法调谐的延迟板闷卜今.书一)灵灵巧的偏振振振振振振振灵灵敏滤光元元元焦平面面面面面面面面面面面面面面面面面面面面面面面件件件件列阵阵阵计算机机薰薰薰瞬瞬力卜僧辉、缪耽初亡，了1毛万书，护;图1分光偏振成像仪的设计原理表1四台AOTF成像仅的技术规格成成像仪仪AOTFFF谱段段带通通延迟板板焦平面列阵阵晶晶晶体体(拼m)111111111(像元数)可可见光近红外外r几02220.41.00010回回向列液晶晶51CCD(非致冷)000000000.6户mmmmm(680x180)短短波红外外矛hOZZZ0.9、1.77710.4向列液晶晶InGaAs(非致冷)111111111.3户mmmmm(32ox24o)中中波红外外TeOZZZ2.04.55577在定制制Insb(77K)333333333产mmmmm(256x256)长长波红外外TIAsseee8.01155580在定制制HgCdTe(77K)1111111110拌mmmmm(256x256)INFRARED(MoNTH贾)/AuG2003(红外月刊2003年像仪则采用液氮致冷的HgCdTe焦平面列阵。这些成像仪的图像都是用合适的光学列形成的。表1列出了这些成像仪的技术规格。图2(a)所示为固定在三脚架上的可见光近红外摄像机，图2(b)是其光学结构。该成像仪的重量在slb以下，体积为sinx6inx4in。AOTF在过去的三年中，美国陆军研究实验室的研究人员已用其可见光近红外成像仪采集了大量室外数据。这些数据一般都是以10nm为一步从0.45拼1.0拼m谱区中采集的。每个光谱间隔采集两个偏振角度(0o和90“)或四个偏振角度(00、450、900和la5o)的图像。从四个偏振方向采集的数据可以用来计算线偏振光的全斯托克斯矢量。研究人员在各种不同场地上以30m、10km的距离采集了这种数据。本文将介绍一部分这种数据。所选择的数据样品是用来说明因树叶中的叶绿素吸收而发生的光谱跃迁的。图3(a)(e)所示的图像分别为在6sonm、69onm、700nm、71onm和72onm波长处以00偏振角获得的光谱图像。这些图像都是在某一个晴天采集的。这些图像的最明显的特征是路、草地、树叶、轿车、轿车挡风玻璃的光反射以及680lln，一720nm波长范围内的树叶反射光强度的变化。树叶在680nm处比较暗。随着波长逐步变换至720nm，树叶开始变得越来越亮。这是由于叶绿素的强吸收特性所造成的。在遥感中，这一特点可以被用作树叶指示器。图2(a)固定在三脚架上的紧凑型可见光近红外分光偏振成像仪，(b)该成像仪的光学结构部分3数据采集4数据分析和结果美国陆军研究实验室的研究人员用一种被称做ENvi的商业高光谱图像处理软件包，对在野外试验中采集的一部分高光谱数据进行了分析。他们用soonmgoonm范围内的41个波段INFRARED(MoNTH贾)/AuG2003第8期红外月刊图3以00偏振角在680nm、69onm、7oonm、7ionm和72onm处采集的一个停车场的光谱图像INFRARED(MoNTH口)/Aue2003图4用以00偏振角在soonm、goonm范围内的41个波段中获得的停车场图像形成的立体图。最前面是760nm波长的图像侧哪鹅喊的图像，建立了如图4所示的一幅立体图，并获得了树叶的光谱强度分布图。他们相对一个白色目标(用作定标标准)，对由前景中的树叶反射的光的强度进行了归一化处理。图5示出了归一化强度或反射率与波长的关系曲线。这清楚地表明，由树叶反射的光的变化是由于叶绿素的吸收造成的。680nm、720nm范围内因树叶叶绿素吸收而发生的光谱跃迁，与图3(a)、(e)所示图像显然是相一致的。树叶的植被指数被定义为740nm(对应于反射强度的最大值)和630mn(对应于反射强度的最小值)的强度差与这两种强度的和之比。根据这些数据计算出的该场景中的树叶的这个指数值为。.64。该指数值则使因叶绿素强吸收引起的植被反射光强度值的变化变得更加突出了。为了找出树叶的偏振特征，研究人员用0o和90“的偏振数据形成了偏振差图像。图6示出了波长为760nm的这种图像。0.80.7奄060.5600波长(n动图5树仆卜的归一化反射光强度与波长的关系曲线5结束语美国陆军研究实验室已制作了一台用AOTF使光色散并用液晶可调谐延迟板进行偏图6用Do和900偏振数据形成的波长为76onm的偏振差图像。树叶并未显示出任何一种由于叶子的随机分布和取向而形成的偏振特征INFRARED(MONTxLY)/AUG2003第8期红外月刊振选择的紧凑型便携式可见光近红外分光偏振成像仪，并用该成像仪在室外采集了野外数据。这些室外图像是在0.45拼m1.0户m光谱范围以00、450、900和1350偏振角度获得的，它们显示出了场景中各种特征的光谱和偏振特性。图中没有发现因植被的随机分布和取向而形成的偏振优先特性，而诸如路面和轿车之类的人造目标却显示出了优先的偏振方向。显然，这台分光偏振成像仪对于在遥感应用中获取线偏振光的光谱特征和全偏振特征是有用的。高国龙供稿用于测量水温的鹰布儒斯特角红外辐射计美国斯泰尼斯空间中心的研究人员最近提出了一种腰布儒斯特角红外辐射计的设计思想。这种新型鹰布儒斯特角红外辐射计将可以装在船、飞机或者卫星平台上，用于非接触测量大的水体(如湖或海洋)的表面温度。由于水的比辐射率和向下红外辐射(如太阳辐射和云反射的辐射)的反射会造成一些误差，该鹰布儒斯特角辐射计将利用水的光谱比辐射率和偏振特性使这些误差减至最少。相关的比辐射率和偏振特性如下:布儒斯特角是指平行于纯介质材料入射平面的偏振光不被反射的角。度布儒斯特角则是为有损耗介质(略微导电的)材料定义的，它是一种可以将平行偏振光的反射率降到最低限度的角度。对于纯水，当腰布儒斯特角为510时，平行偏振光的反射率仅为2.2x10一4。由于在偏离51”这个最佳角度几度时，反射率依然可以保持接近零，所以这个入射角的要求是容易达到的。对测量水温有用的波长范围为8拼m12拼m。在这个波长范围内，对于度布儒斯特角的平行偏振光，水的比辐射率大于0.999。该辐射计的工作波长范围为8拼m、12料m，它将配备一个能鉴别垂直于入射平面的偏振红，外光的起偏器，并将以鹰布儒斯特角瞄准水体(见图l)。由于进入该辐射计的红外辐射是平行于入射平面偏振的，而且下行平行偏振辐射会因为度布儒斯特的布