高（gāo）光谱成像技（jì）术起源（yuán）于地质（zhì）矿物识别填图研究，逐渐扩展为植（zhí）被生态（tài）、海洋海岸水色、冰雪、土（tǔ）壤以及大气的研究中。对（duì）空间（jiān）探（tàn）测、军事安全、国土资源、科学（xué）研究等领域都具有非常重要的意（yì）义。

所谓高光谱图像（xiàng）就是在（zài）光谱维度上进行了细致的分割，不仅仅是传统（tǒng）所谓的黑、白或者R、G、B的区别，而是在（zài）光谱维度上也有（yǒu）N个通道，例如（rú）：我（wǒ）们可以把400nm-1000nm分为300个通道。因此，通（tōng）过高光谱（pǔ）设备获取到的是一个数据立方，不（bú）仅有图（tú）像的信息，并且在光谱维（wéi）度上进行展开，结果不仅可以获（huò）得图（tú）像上（shàng）每个（gè）点的（de）光谱数据，还（hái）可以（yǐ）获得任一个谱段的（de）影（yǐng）像（xiàng）信息。

目前高光谱成像技（jì）术发展迅速，常见的包（bāo）括（kuò）光（guāng）栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光、芯片镀膜等。

光栅分（fèn）光原理：

在经典（diǎn）物（wù）理学（xué）中，光波穿过狭缝、小（xiǎo）孔（kǒng）或者圆盘之类的（de）障碍物时，不同（tóng）波长的光会发生不同（tóng）程度的弯散传播（bō），再通（tōng）过（guò）光栅（shān）进行（háng）衍射分光，形成一条（tiáo）条谱带。也就是说：空间中的一维信（xìn）息通过镜头和狭缝后，不同波长的光按照不同（tóng）程（chéng）度的弯散（sàn）传播，这一维图像上的（de）每（měi）个点，再通过光栅进行衍射分（fèn）光，形成一个谱带（dài），照射到探测器上（shàng），探测（cè）器（qì）上的每个像素位置和强度表征光谱和强度。一个点对应一（yī）个谱段，一条（tiáo）线就对（duì）应一个谱面，因此探测器（qì）每（měi）次成（chéng）像是空间一条（tiáo）线上的光谱信息，为（wéi）了获得空（kōng）间二维图像再通过（guò）机械推（tuī）扫，完（wán）成整个平面的图像和光谱数据采（cǎi）集。

经（jīng）过狭缝的光由于（yú）不同波长照（zhào）射到不同的（de）探（tàn）测器像元（yuán）上，光能量很低（dī），因此需要选择高灵敏（mǐn）相机（jī），同时需要加光源。例如系统（tǒng）如下：

声光可调谐滤波分光(AOTF)原理：

AOTF由声（shēng）光介质、换能器和声终端三部分组成。射（shè）频（pín）驱动信号（hào）通过换能器（qì）在（zài）声（shēng）光介质内激励出超声波。改变射频（pín）驱动信号（hào）的频率，可以（yǐ）改变AOTF衍射光的波（bō）长，从而实现电调谐波长（zhǎng）的扫描。

最（zuì）常用的AOTF晶体材料为TeO2即非共线晶体，也就是说光（guāng）波通过晶体之后以不同的出射角（jiǎo）传播。如（rú）上图所示（shì）：在晶体前端有一（yī）个（gè）换能器，作（zuò）用于不（bú）同的（de）驱动频率，产（chǎn）生不同频率的振动即声波（bō）。不同的驱动频率对应于不同振动（dòng）的声波（bō），声波通过晶体TeO2之后（hòu），使（shǐ）晶体（tǐ）中（zhōng）晶（jīng）格产生了（le）布拉（lā）格衍射，晶格更像一种滤波器（qì），使晶体只能（néng）通过一（yī）种波长的光。光（guāng）进入（rù）晶体（tǐ）之后发生（shēng）衍射，产生衍射光和零级（jí）光。

l AOTF系统组成：

AOTF系统组（zǔ）成：成像物镜+准直镜+偏振片+晶体+偏（piān）振片+物镜（jìng）+detector，入射光经过物镜会（huì）聚（jù）之后进（jìn）入（rù）准平行镜(把所有（yǒu）的入射光变成平行光)，准平行光进（jìn）入偏振片通过（guò）同一方向的传播的光，平行光（guāng）进入晶体之后（hòu），平行于（yú）光轴的光按照原（yuán）来方向前行，非平行光进行衍射，分成两束（shù）相互垂直o光和e光(入（rù）射光的波长不（bú）同经过（guò）晶体（tǐ）之后（hòu）的o光与e光的角度也不同，因（yīn）此在改变波长的过程（chéng）中，图像会出（chū）现漂移);o光（guāng）和e光及0级光分别会聚（jù）在（zài）不同的面上。

为了（le）保证入射光经（jīng）过准平行镜（jìng）之后能（néng）够完（wán）全（quán）变（biàn）化成平行（háng）光，因此对前端的物镜视场（chǎng）角有一定（dìng）的（de）要（yào）求，根据晶体的xxx角，可算出物镜最（zuì）大的视场角，小（xiǎo）于最大视场角的情况，成像ok，如果大（dà）于视场角，则会造成重影(衍射光与0级光都进入了sensor);

实现方法：

不同波（bō）长的（de）光经过晶体之后（hòu）衍射光与0级光的（de）夹角也不同（tóng），因此为（wéi）了（le）能够保证更好的成像效（xiào）果，在晶体的出（chū）光口加入（rù）遮挡片，即遮挡0级光，避免与衍射（shè）光一起进入sensor，造成重影。

对聚光准直系统（tǒng）的优化有两个方面：1提高光（guāng）源的聚光效果，2减小聚光准直系统的外形尺寸。

棱（léng）镜分（fèn）光：

入射光通过棱镜后被分成不同的（de）方向，然后照射到不同方向的探测器上进行成像。棱镜分光（guāng）后，在棱镜的出射面（miàn）镀了不同波（bō）段的滤光膜，使（shǐ）得不同方（fāng）向的探（tàn）测器可以采集（jí）到不同光谱信息，实现同时采集空间及光谱信息。

芯片镀膜

近（jìn）年来，IMEC(欧洲微电子研究中心)采用高灵敏CCD芯（xīn）片及（jí）SCMOS芯片研制（zhì）了一种新的高光谱成（chéng）像技术，在探测器的像元上分别镀不同波段的滤（lǜ）波膜实现高光谱成像（xiàng），此技（jì）术大大降低的高（gāo）光谱成像（xiàng）的成（chéng）本。

目前IMEC提供三种标准（zhǔn）的光（guāng）谱探测器（qì）：100波带的（de）线扫描探测器，32波（bō）带（dài）的瓷（cí）砖式镀膜探测器，16波带以4x4为一（yī）个（gè）波段的（de）马赛克式镀膜探（tàn）测器

这种光谱技术的优点是可以（yǐ）同时获得光谱分辨率（lǜ）和（hé）空间分辨（biàn）率，可以进行快速（sù）、高性能地获得光（guāng）谱信（xìn）息和（hé）空间信息，集成度高，成（chéng）本低。但是（shì）缺点是光（guāng）谱灵敏度较低，一般（bān）大于10nm，多用于无人机（jī）等（děng）大范围扫描的（de）光谱应（yīng）用领域。

利用大（dà）数据分析农作物长势、病虫害和农田（tián）墒情等信息可（kě）以让农（nóng）业生产（chǎn）更加（jiā）精准（zhǔn）高（gāo）效。获取这些大数（shù）据，就要先（xiān）给土地（dì）做（zuò）“CT”。为土地做（zuò） “CT”的关键技术设（shè）备在陕西省取（qǔ）得了重大突破。中煤（méi）航测遥（yáo）感局（jú）采用小型（xíng）固定翼无人机搭载高（gāo）光谱成像（xiàng）仪成功实施了多次数据获取，成为国内首家（jiā）成功（gōng）实（shí）施该（gāi）项技术集成的技术（shù）团（tuán）队。

长（zhǎng）期以来（lái），国内高光谱数据获（huò）取只能依赖大飞（fēi）机，导致数据（jù）成本大大（dà）增（zēng）加，一（yī）般（bān）性科研（yán）和（hé）社会项目无法采（cǎi）用。另外（wài），在多旋翼无 人机（jī）上（shàng）搭载的（de）高光谱相机由于航时过短，难以（yǐ）获取大区域的高光（guāng）谱数据。这些（xiē）因素，制约了我国（guó）千米左右低（dī）空遥（yáo）感信息产业的发展。煤航在国内率先开展此项研究， 攻（gōng）克了无（wú）人机搭载高光谱成像（xiàng）仪的成像控（kòng）制与（yǔ）操控系（xì）统信号对接（jiē）、数（shù）据（jù）预（yù）处（chù）理等一系列技术难题。该技术具有高光谱分辨率、高空间分辨率、高时间分辨率和低成（chéng）本 获取的（de）显著优（yōu）势，能（néng）够克服传统航天技术手段代价高（gāo）、时效性不强等瓶颈，可开展大范围，高频次的遥感（gǎn）数据获取，并大（dà）大降低费（fèi）用。

目（mù）前，该无人机可开展低空航摄、多光谱、热红外及高光谱遥感飞行，可广泛应用于国土、规划、环保、水利等行业和领域。

在实（shí）验中，研究团队集成采用无人机搭载微型高光谱成像仪，先后两次成功获取了杨（yáng）凌揉谷试验区近3平方公（gōng）里的高光谱数据。据煤航专（zhuān）家介绍，这套高光谱成像（xiàng） 仪包括了128个有效波段，波长区（qū）间为400-100纳米（mǐ），每秒钟可获（huò）取50×50像素的照（zhào）片5张（zhāng）。同时，配备了一套1000×1000像素（sù）的全色成像 仪，用于同步记录（lù）全色（sè）图像。根据这（zhè）些数（shù）据，可以（yǐ）很好地分析出（chū）植物的生长状况（kuàng）、土壤内有机物含量等信（xìn）息。经过分析和处理，这（zhè）些数据质量达到了预期（qī）标准，是国内首（shǒu）次在小型固定翼无人机（jī）上成功获取的高光谱试验数据。

该项技术是（shì）国家科技（jì）支撑（chēng）计划（huá）项目“旱区多遥感平台农田信息精准获取技术（shù）集成与应用”课题中“航空和低空平台传感器和信息（xī）获取”的核心成（chéng）果。目前，煤航已经拥有电动和油动两种机型共四架（jià）无人机，可搭载四种传感器。

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