14.9. 阿维里斯和其他成像光谱仪¶
阿维里斯和其他成像光谱仪
任何分光计的重要组成部分都是它的光谱分散装置。-这些仪器有一种物理方法，将由不同的光子能量（因此频率范围或其逆波长）横向分布在拉伸的线性显示器上。
最简单的装置是光学玻璃棱镜，它的横截面是三角形。多色光（不可见辐射）光束到达棱镜的一侧。在这个玻璃表面，不同波长的光线根据对玻璃折射率的响应而弯曲。弯曲程度随波长而变化，这意味着折射率也随波长范围而变化。例如，在皇冠玻璃中，紫罗兰色的指数为1.528，红色的指数为1.514。如果光束以直角撞击直角三角形棱柱的一侧，它将继续以相同的方向运动，但会减慢，然后随着光束出现在另一侧的倾斜（斜边）表面上，弯曲到不同的程度。如果我们以斜边面为基准（平行于入射光束）来确定棱镜的方向，光束将首先遇到一个倾斜的面，并在进入棱镜时弯曲。然后，分散的光会遇到第二个斜面，并且弯曲更多。净效应是根据（可见）光线的有效折射率将其扩散成连续的几何颜色图案，形成光谱图的波长横坐标（参见第27章第26节）。
衍射栅格根据不同的机理使光分散。栅格可以是金属或玻璃，在其上刻有直线（切割）细槽，平行线的间距非常近（例如，每英寸15000个），因此成对栅格之间的间距大致相当于可见光近红外区域中的波长。每一条线类似于一条狭缝，使多色光以依赖波长的角度衍射（弯曲）。对于间距很近的线阵列（每对线用距离d隔开），我们应用了布拉格方程：n l=d sin（q），其中n是建立阶数（泛音）的简单整数（1,2,3…），l是波长，q是弯曲角。因此，根据栅格中包含的波长，撞击栅格的光线会以不同角度扩散。有些波长的光子数量比其他波长多（强度更大），因此我们可以将反射光能图重新绘制为反射比波长，从而生成我们在前两页中研究过的光谱曲线类型。
一种用于分析材料成分的发射光谱仪，通过一个狭缝，然后通过棱镜或衍射栅格，将代表不同化学元素激发状态的离散波长的光吸收到记录介质上，如照相板。依赖波长的弯曲在不同的间距上复制出一系列线（狭缝的重复图像），我们可以测量这些线的波长，从而识别样品中的特定元素。样品通常在火焰或电弧中加热，以迫使电子进入高能状态，因为当电子过渡到低能态时，给定波长的光根据量化能量发出。记住普朗克方程e=hf，其中f是频率，在教程ch27_第26章中讨论。
一个固定的反射光谱仪，通过地面场景中的准直透镜观察，将光分解成从固定视图发出的波长。记录光线时出现问题，因为场景以高速通过镜头（或光谱仪在场景中摆动）。老式的探测器没有足够的时间来记录不断变化的视场，也就是说，电子设备无法对分散的光进行足够快的采样，以将其分解成构成光谱曲线所需的密集波长。相反，他们用陆地卫星型扫描仪的方式记录了宽波段的光。
扫描分光计的技术可以在移动的地形上扫描，而采样的波长间隔很窄，必须等待突破。这一突破是随着电荷耦合探测器（CCD）的出现而出现的。电荷耦合器件（CCD）是一种微电子半导体金属芯片，用于检测光线。辐射在芯片上产生的电子电荷与接收到的光子数量成比例，这取决于强度和曝光时间。电荷必须能够快速移动，为下一次光子的流入（如来自场景下一部分的光子）重置CCD。
芯片非常小（几十微米）。它是由一些光敏材料制成的，如用于计算机微芯片的硅。通常情况下，我们将数百个电容器安装在绝缘体背衬上，成一条直线或二维阵列。假设一个每英寸2000片的线性阵列。如果我们允许光通过透镜进入，并从一端到另一端同时照射阵列，那么每个芯片将从场景的一小部分接收光。相邻的芯片将从相邻的地面或空中位置获得光。因此，仪器在地面或空中采样一条有限宽度和长度的线。
每一个芯片，累积一个代表到达光子批次的电荷，是一个定义空间分辨率的像素，这取决于芯片尺寸和芯片阵列在扫描场景上的高度（距离）。在现场停留一瞬间后，所有芯片依次放电（为记录设备生成信号流）以重置下一批。芯片具有很高的信噪比（S/N），这使得在短时间内，足够的电子积累，加上增益放大，以产生可用的信号。在一次曝光后，航天器在一个很小的距离上移动，这个过程会在地面场景的下一行重复。线性阵列的前进，类似于宽“pushbroom”的前进运动，产生一系列不同的电子信号，仪器将其转换成图像，其中灰度范围与信号强度有关。
线性阵列的一个变种是二维阵列，它在多行芯片上接收和记录来自矩形地面场景的光。或者，另一种模式使用摇摆或旋转的镜子扫过阵列。
使用CCD元件的传感器可以是多光谱的，如果它使用多个阵列，每个阵列专用于一个波长带，带通滤波器决定带宽。SPOT的传感器使用CCD阵列和红、绿、红外滤光片来创建它的多光谱数据集。
但是，这些宽带传感器不提供高光谱数据，也就是说，它们不在狭窄的间隔内对光谱进行采样。为了实现这一点，传感器探测器必须由许多平行的芯片行组成，每一行都专门用于一个狭窄的波长间隔，记录器可以非常快速地对（CCD放电）进行采样。想象一个二维阵列，有几百个芯片宽，200个左右长。让光线通过望远镜或聚焦透镜进入传感器，撞击移动的镜像表面，然后通过衍射栅格，衍射栅格沿阵列长度方向（与传感器的正向运动方向相同）在光谱范围内分散光线。在反射镜的一个瞬时位置，来自地面的光激活阵列宽度方向上的第一个像素芯片，同时，沿阵列长度（光谱尺寸）的其他波长也会激活第一个像素芯片。录音机以电子方式对每行的第一个芯片进行纵向取样。接下来，镜子横向移动到下一个地面点，来自它的光纵向分散其光谱。后视镜继续逐步完成相当于一次接地扫描。当这种情况发生时，传感器继续移动以查看下一个接地位置，整个扫描分散过程重复进行。随着仪器沿着其飞行路径或轨道运行，最终的结果是大量的数据收集，这些数据既有空间输入，也有高光谱输入。从数据集中，我们可以使用与地面小图相关的单个窄谱带来构建图像。或者，我们可以将宽度上任何像素位置的光谱数据与纵向采样的波长联系起来，为该表面绘制一条光谱曲线。通过特殊的修改，我们可以成像大气，如果这是目标。
一般来说，这描述了Aviris和其他高光谱成像光谱仪的工作原理。JPL的Aviris使用了两组CCD阵列的衍射栅格，一组用硅芯片在可见光范围内感知，另一组用铟锑（锑）芯片在近红外到短波红外范围内感知波长。制冷装置用液氮冷却探测器以获得最佳性能。光谱尺寸中有224个探测器（通道），扩展范围在0.38到2.50微米之间。这种安排导致每片0.01微米的光谱分辨率。根据选择，用于报告高光谱数据的遥感行业采用的单位是纳米（nm）；1000纳米=1微米。这种方式表示的分辨率是10纳米，覆盖范围为380到2500纳米。Aviris通过30° 视场，将衍射光发送到614个单独的CCD的宽度方向（穿过飞行方向）。一个摆动的镜子扫描场景，并发送传入的辐射扫过阵列。由此得出的空间分辨率取决于平台高度。一个典型的任务是在美国宇航局的飞机（ER-2）上安装阿维里斯，它能产生大约20米的空间分辨率，但是我们可以通过在较低的高度飞行将其提高到5米，当然，这会缩小地面覆盖的宽度。
这是阿维里斯的照片：
这是一个关于单个像素的aviris光谱曲线的例子：
顶部像素下的叠加表示多个224 10纳米通道，我们绘制这些通道的值以获得这条曲线。
以通常的颜色合成方式开发的图像之间的关系可视化的另一种方法是，在不同波长下仅使用三个10纳米数据值，并且在采样间隔内的光谱变化将其描述为高光谱立方体：
在这里，立方体的顶部是一个准自然色图像，由与可见区域中三个狭窄的光谱通道相关的反射制成。在左前方和右前方是每个像素光谱的颜色表示，位于顶部图像与光谱尺寸连接线的沿线。顶部对应于光谱的低端，底部对应于高端。黑色到紫色和蓝色被分配到低反射。黄色穿过红色，然后白色表示高反射。阿维里斯拍摄了旧金山湾南部一架飞机飞行时所显示的区域。在美国宇航局艾姆斯研究中心旁边的莫菲特场着陆带，可以在加利福尼亚州的山景中找到这幅图像的一部分。
自Aviris以来，许多其他成像光谱仪已经建成并投入使用。你可以 choose 以表格形式列出其中大部分。
其中之一是海冰，由海军开发，用于空中使用。它有210个通道，每个通道的光谱分辨率约为10纳米，从413纳米延伸到2504纳米。它使用棱镜作为光谱色散器件。空间尺寸由一行320像素定义。当在低空飞行时，海冰产生的图像分辨率接近一米。
另一个在欧洲开发的仪器是DAIS，这是一种数字机载成像光谱仪，它使用衍射栅格获得450到2500纳米的光谱覆盖。它的72个通道以三个光谱间隔收集辐射：400-1200纳米（带宽15-30纳米）；1500-1800纳米（带宽45纳米）；2000-2500纳米（带宽20纳米）。间隙与大气吸收带一致。作为使用相同光学器件的独立传感器，它还具有一个3000-5000纳米范围内的单宽带通道和六个在8000-14000纳米范围内工作的通道。这些波段提供了地面物体热辐射的重要信息。低空飞行，它为几公里宽的狭长地带提供一米的分辨率图像。
对于大多数系统，衍射栅格或棱镜完成了色散，但分离光谱的其他技术包括干涉滤光片、声光滤光片、液晶可调谐滤光片、迈克尔逊干涉仪、傅立叶变换干涉仪和多阶等。由碲汞镉（MCT）或硅化铂制成的芯片对某些可用的波长间隔敏感。