偏振超光谱成像技术是一个新兴的交叉技术领域，探索该技术在航天、民用等领域的应用已经成为国内外的重点研究课题，特别是基于声光可调谐滤波器（AOTF）的光谱成像仪，与传统仪器相比，在工作机制和仪器设计上都有着众多的优点。

光谱成像技术利用多个光谱通道进行图像数据的采集、显示、处理和分析，是图像分析技术与光谱分析技术的完美结合。

随着光谱成像技术的发展以及声光可调谐滤波器（Acousto-optic Tunable Filter，AOTF）的出现，AOTF偏振光谱成像仪的研发已经成为国内外研究的热点。

国外的许多科研机构已经开发了应用于不同领域的基于声光可调滤波技术的光谱成像仪，国内一些科研单位虽然也在此方面进行了积极的探索，但是还没有进入实用阶段的仪器产品问世。

AOTF偏振光谱成像仪是目前获取信息最多的一种光学遥感器，具有结构简单、光谱波段宽、分辨率高等特点。

其所获取的数据中不仅包含了空间信息和光谱信息，还包含了待测目标的偏振信息，增强了所获取待测目标的信息量。

通过对不同波段情况下的目标图像数据进行分析，可以获得目标物的物质成分和相对丰度，在军事、民用、航天等众多领域都有着重要应用。

AOTF原理

AOTF是根据各向异性双折射晶体声光衍射原理而制成的一种新型分光器件，主要由声光晶体，超声换能器和声吸收体构成，

其基本原理如图所示。



AOTF有共线和非共线两种工作模式，其通常处于反常布拉格衍射的非共线模式下进行工作。

超声换能器能够将所加载的电信号转换为同频率的超声波，在声光晶体中超声波与入射光波产生非线性效应。

当超声波矢量与入射光矢量满足布拉格衍射条件时，入射光将发生布拉格衍射，且衍射光的偏振态与入射光的偏振态正交。

当衍射发生时，入射光与衍射光必须满足波矢量动态匹配条件：





式中ni为入射光折射率，nd为衍射光折射率，λ为真空光波长，f为超声波频率，Va为矢量方向的超声波速度值。

结合AOTF的平行切线波矢布局，可以得到超声波频率与衍射波长的对应关系：



式中θi为入射光矢量与晶体光轴间夹角，θd为衍射光矢量与晶体光轴间夹角。

由于超声波频率f取决于驱动电信号的频率，因此通过改变激励声波的驱动信号频率，就可以实现对衍射光波长的控制，以达到滤波的目的。

与传统分光器件相比，AOTF具有体积小、无活动部件、通光孔径大、衍射效率高、调谐范围宽等众多优点，从而使其在光谱成像技术上有着巨大的应用潜力。

仪器结构

实验中所搭建的AOTF偏振光谱成像仪主要包括以下几部分：

前置光学系统
	
AOTF分光系统
	
CCD成像系统
	
射频驱动系统
	
数据采集控制系统
AOTF偏振光谱成像仪结构示意图



目标景物被光源照射后的反射光经过前置光学系统进行会聚、准直后进入到AOTF分光系统。

由可控射频信号源产生的射频信号控制波长调谐，使入射光经过AOTF衍射后产生对应波段的零级衍射光和正负一级衍射光，正负一级衍射光即为偏振态正交的O光和E光。

然后，经过后续光学系统分别成像于H通道和V通道的CCD阵列上，获得单一波长的目标图像。

通过操控PC机上的数据采集控制系统，一方面可以调整射频驱动器的驱动信号频率，另一方面可以控制CCD相机的工作状态，同时对相机所传回的采集数据进行接收，进而可以得到AOTF调谐波段范围内各波段的目标景物图像。

最后对所采集的各波段范围的图像数据进行存储。

	

摘要：论述了成像光谱仪的基本原理以及在农业、林业、工业及科研、环境保护等方面的应用，对我国光谱仪的研究发展概况作了简单介绍。
关键词：光谱仪；原理；应用
成像光谱仪是20世纪80年代开始在多光谱遥感成像技术的基础上发展起来的，它以高光谱分辨率获取景物或目标的高光谱图像，在航空、航天器上进行陆地、大气、海洋等观测中有广泛的应用，高光谱成像仪可以应用在地物精确分类、地物识别、地物特征信息的提取。建立目标的高光谱遥感信息处理和定量化分析模型后，可提高高光谱数据处理的自动化和智能化水平。由于成像光谱仪高光谱分辨率的巨大优势，在空间对地观测的同时获取众多连续波段的地物光谱图像，达到从空间直接识别地球表面物质的目的，成为遥感领域的一大热点，正在成为当代空间对地观测的主要技术手段。地面上采用光谱成像仪也取得了很大的成果，如科学研究、工农林业环境保护等方面。本文主要简述高光谱成像仪的基本原理和在农林环境保护等方面的应用。
1 系统工作原理与结构
高光谱成像仪将成像技术和光谱技术结合在一起，在探测物体空间特征的同时并对每个空间像元色散形成几十个到上百个波段带宽为10nm左右的连续光谱覆盖。根据成像光谱仪的扫描方式，其工作原理也不尽相同，作为光学成像仪成像的一个例子，这里简述一下焦平面探测器推扫成像原理。
1.1 系统工作原理
焦平面探测器推扫成像原理见图1。地面物体的反射光通过物镜成像在狭缝平面，狭缝作为光栏使穿轨方向地面物体条带的像通过，挡掉其他部分光。地面目标物的辐射能通过指向镜，由物收镜收集并通过狭缝增强准直照射到色散元件上，经色散元件在垂直条带方向按光谱色散，用会聚镜会聚成像在传感器使用的二维CCD面阵列探测元件被分布在光谱仪的焦平面上。焦平面的水平方向平行于狭缝，称空间维，每一行水平光敏元上是地物条带一个光谱波段的像；焦平面的垂直方向是色散方向，称光谱维，每一列光敏元上是地物条带一个空间采样视场(像元)光谱色散的像。这样，面阵探测器每帧图像数据就是一个穿轨方向地物条带的光谱数据，加上航天器的运动，以一定速率连续记录光谱图像，就得到地面二维图像及图形中各像元的光谱数据，即图像立方体。
图1.光谱成像仪数据获取系统 的结构
1.2 光谱成像仪数据获取系统构成
光谱成像仪由光学系统、信号前端处理盒、数据采集记录系统三部分组成。
数据的回放及预处理通过专用软件在高性能的微机上完成。软件具有如下功能：数据备份；快速回放；数据规整和格式转换；图像分割截取；标准格式的图像数据生成等。
2 成像光谱仪的应用
成像光谱仪的应用范围遍及化学、物理学、生物学、医学等多个领域，对于纯定性到高度定量的化学分析和测定分子结构都有很大应用价值。如在生物化学研究中，可以利用喇曼光谱鉴别一些物质的种类，还可以测定分子的振动转动频率，定量地了解分子间作用力和分子内作用力的情况，并推断分子的对称性，几何形状、分子中原子的排列，计算热力学函数、研究振动一转动拉曼光谱和转动拉曼光谱，可以获得有关分子常数的数据。对非极性分子，因为它们没有吸收或发射的转动和振动光谱，振动转动能量和对称性等许多信息反映在散射谱中。对于极性分子，通过红外光谱固然可以获得不少分子参数的知识，但是为了得到更完备的资料，也往往同时观测红外光谱和拉曼光谱，它们具有不同的选择定则，可以提供互补的数据。现在这两种光谱相互配合已经成为有力的研究工具。
图2. 光谱成像仪数据获取系统的结构 
光谱成像仪在土地利用、农作物生长、分类，病虫害检测，海洋水色测量，城市规划、石油勘探、地芯地貌及军事目标识别等方面也有很广泛和深远的应用前景。可见光近红外光谱范围超光谱成像仪最广阔的应用领域为植被和海洋；植被的反射光谱特征主要取决于叶片中的叶绿素含量和成份，正常生长的植物有典型的光谱形状；当生长不良、病虫害、地下金属矿物诱导病变等因素会引起反射强度比例变化和吸收光谱特征(0.68μm)的微小位移，这种位移的观测要求超光谱成像仪具有优于5nm的光谱分辨率和100以上的信噪比。在光波范围能够观测水下状况的只有可见光，其中穿透性最好的波长范围为0.45～0.60μm(蓝光至黄光)，亦被称为“海洋窗口”。可见光超光谱成像仪可以观测海洋中沉积性悬浮物、浮游生物、叶绿素的分布等海况，但是获取海洋表层中悬浮体物质在质量和数量方面的信息时，不仅需要高光谱分辨率，而且要很高的辐射灵敏度(信噪比500以上)。
......
3 结语
除了以上实际应用外，目前高光谱成像仪在自然科学的大部分领域起着主要的作用。随着面阵探测器阵列制造技术的进一步提高，一些新型的成像光谱技术得到了应用，具有这些技术的光谱仪更具有可靠性和稳定性的特点，并且体积小、重量轻、光谱分辨率高、实时性更好、光谱范围更宽。这种光谱成像仪将会成为新一代光谱成像仪的代表，科学研究人员也会对此类光谱仪投入更多的关注而使其得到更广泛的应用。
鉴于篇幅问题，本文仅为节选，全文内容可阅读原文下载PDF文档。
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根据传感器光谱分辨率的不同，光谱成像可以分为多光谱成像、高光谱成像以及超光谱成像这三类。



多光谱成像技术主要是以物体对不同波长光线的吸收存在差异为原理，通过对目标物体在一组红外和近红外范围内特定光线波长中的光强度变化来实现检测、辨别等应用需求。其与高光谱成像以及超光谱成像技术之间都存在一定的差异，各有各的特点，例如：超光谱成像技术是通过测量连续波长范围中的光强度变化来描述材料的，而多光谱成像技术则是通过一组特定波长范围中的光强度变化来进行判定的等等。随着多光谱成像技术的不断提高，其应用范围也在不断扩大，尤其在医学、农业、军事以及安检等领域都有着重要的应用。

　　在农业领域，多光谱成像技术可以通过从可见光到热红外不同的狭窄波段区感应能量，分别获得地物在不同谱段上的影像，以此识别地物的具体情况，主要应用于作物病害诊断、农产品品质检测、作物生长状态监测等方面。另外，在重大自然灾害面前，多光谱成像技术还可以在灾害评估方面发挥重要的作用，提供准确的灾情评估报告，为决策部门制定救灾、减灾方案提供了精准的信息资料。


全色波段，一般指使用0.5微米到0.75微米左右的单波段，即从绿色往后的可见光波段。全色遥感影象也就是对地物辐射中全色波段的影象摄取，因为是单波段，在图上显示是灰度图片。全色遥感影象一般空间分辨率高，但无法显示地物色彩。


全色是通过单通道探测器探测目标表面亮度，一般是可见光波段，产生黑白图像
多波段，又叫多光谱，是指对地物辐射中多个单波段的摄取。得到的影象数据中会有多个波段的光谱信息。对各个不同的波段分别赋予RGB颜色将得到彩色影象。例如，将R，G，B分别赋予R，G，B三个波段的光谱信息，合成将得到模拟真彩色图象。多波段遥感影象可以得到地物的色彩信息，但是空间分辨率较低。


多光谱是通过多波段探测器探测目标表面亮度和光谱信息，有几个到几十个波段，波长范围比可见光大，还包括红外、微波

其他：
1.多光谱图像有4个波段，但是空间分辨率低。全色图像只有1个波段，但空间分辨率较高。

这跟传感器使用的分光方式有关。全色图像的采集是不需要分光的，地面反射的能量通过镜头后，直接投射到CCD探测器上从光信号转变成电信号，再被数字量化成灰度，就成为我们在电脑上看到的灰度影像。而多光谱图像在CCD探测器接受到光信号前有一个分光过程。将混合的白光分解成需要的宽谱段RGB和近红外光束，再被探测器接收。

不同的传感器可能采用不同的分光方式，比如我们日常使用的数码单反，使用了拜尔滤光片，在ccd上加了一层分布着以rgb为组单元的滤光片阵列，最后采集到的数据经过采样就获得最终rgb影像，相应的，他相比不使用滤光片，直接用ccd感应光线的图像，分辨率是下降到1/3左右的。

还有是使用分色棱镜，将入射的一束光线分成RGB+ndir四束光线，分别用四个探测器接收，这样的直接结果是能量降低，分辨率也相应下降。


多光谱或者高光谱目前大类来讲有两种技术，一种为分光法，一种为滤光片法；分光法，从实现技术上又分为光栅分光，棱镜分光，干涉分光；而滤光片从技术上有镀膜滤光片，声光可调滤光片，液晶可调滤光片等。两种技术方法差别在于滤光片法通常是扫光谱维，得到不同波长的影像。分光法通常是扫空间维，得到一条线的光谱。一次性同时得到光谱跟影像的有二维光栅成像技术和采用多CCD成像(CCD前加不同波长滤光片，然后做成同轴光路)。

简单来说，CCD是个二维成像器件，影像+光谱是三维信息，所以用一个二维器件采集三维信息，要么就得牺牲分辨率，要么就得做扫描(牺牲时间)。









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前不久，DJI大疆行业应用正式发布了精灵 4 多光谱版无人机。作为具备多光谱成像系统的航测一体机，精灵 4 多光谱版可采集高精度多光谱数据，广泛应用于农业、科研、环保等多个领域。
精灵 4 多光谱版一经问世即备受关注。在聚焦其带来生产力革新的同时，大家也对它所携带的多光谱相机充满好奇。而获知多光谱技术的运作原理，则可以帮助快速了解这款相机的精妙之处。
多光谱究竟是什么？
太阳光是一种不同波长的连续光谱，其波长分布由短到长。不同颜色的可见光就是因波长差异而呈现出色彩变化。由于不同物体属性的区别，在接受到太阳光照射时，物体表面吸收与反射太阳光的比例也不尽相同。
以农作物为例，通过观测与分析作物反射不同波段光谱的情况，可以对农作物的生长状况有更为精准的了解。
多光谱图像传感器可以捕获光在特定波长的信息数据，通过使用滤光器或对特定波长敏感的仪器获取指定波段的地物信息。
6 颗镜头的多光谱相机
有何神奇之处
精灵 4 多光谱版无人机采用一体式多光谱成像系统，集成了 1 个 可见光相机及 5 个多光谱相机，其中多光谱谱段的波长范围分别为：
蓝光(B)：450±16nm
绿光(G)：560±16nm
红光(R)：650±16nm
红边(RE)：730±16nm
近红外(NIR)：840±26nm。
6 部相机协同作业，分别负责可见光成像及多光谱成像。5 部独立的多光谱相机，为行业研究提供了更为广泛的光谱信息样本支持。
NDVI 植被指数
让多光谱数据说话
有了多光谱相机，如何将收集到的数据解读出更多信息，让多光谱数据“说话”是关键。
以植物为代表，科学家们根据植被的光谱特性，将不同窄边波段的光谱进行非线性组合，形成了各种植被指数。不同波段组合的植被指数可反映出植被的不同特性。
其中最具代表性的植被指数是归一化植被指数 NDVI ( Normalized Difference Vegetation Index )。
因植被在红波段吸收强，近红外波段反射强，通过计算近红外波段的反射值与红光波段的反射值之差比上两者之和，即可得到 NDVI 指数。通过该指数分析植被叶绿素含量，判断植物的长势情况。
NDVI 的值介于 -1 到 1 之间，负值表示地面覆盖为云、水、雪等对可见光高反射的物体；0 表示有岩石或裸土等，此时 NIR 和 R 近似相等；当值为正时，表示有植被覆盖，且随覆盖度增大而增大，越接近 1 则表示植被越健康茂密。
除了 NDVI 植被指数，将多光谱数据导入大疆智图还可获得更多不同种类植被指数的输出。为农作物科学管理氮肥、环保监测等多领域提供有效参考。
有了多光谱相机采集数据和植被指数的深度解析，多光谱技术的应用才能打出组合拳。而精灵 4 多光谱版无人机的秘诀可不仅仅局限于此。
七大优势
成就大疆多光谱的独门秘籍
1. 高像素多光谱成像系统
对于多光谱照片信息，图像精度将直接影响最终诊断结论的准确度。精灵 4 多光谱版无人机可见光与多光谱相机均为 200 万像素，在飞行 100 米地面分辨率达 5.3 cm。相比传统模式通过卫星获取遥感影像，可提供分辨率更高、时效性更强的数据参考。
2. 一体化的设计方案，开箱即飞
精灵 4 多光谱版无人机为使用者提供最便捷的使用体验。飞机、RTK模块、相机一体化设计， RTK 高精度定位结果实时补偿至相机 CMOS 中心，实现厘米级定位。用户省去了购置设备后期自己手动组装、校准设备的烦恼，真正做到开箱即用。
3. 完整的一体化解决方案
过去，行业用户在开展多光谱无人机应用的过程中，数据采集、图像建模、数据分析等步骤往往需导入至不同的软件平台来完成。精灵 4 多光谱版无人机搭配大疆一整套自研一体化平台，通过 GS Pro 地面站专业版规划飞行任务，精灵 4 多光谱版将进行照片采集，随后将照片导出到大疆智图进行建模，快速高效生产各植被指数图。
4. 简化工作流
不同太阳光照强度会对多光谱的数据精度产生影响。传统的作业流程，需要用户在飞行前人工放置白板进行标定，从而保证不同飞机在不同时刻拍摄同一植被时，都能获得相同的 NDVI 指数。
精灵 4 多光谱版无人机顶部集成多光谱光强传感器。当进行数据后处理时，太阳辐照度数据将可用于对影像进行光照补偿，排除环境光对数据采集的干扰，显著提高不同时段采集到的的数据准确度和一致性，大大简化工作流程。
5. RGB 与 NDVI 图像实时输出
在执行作业过程中，实时获取现场画面，能为作业人员提供一手的直观信息。精灵 4 多光谱版无人机配合 GS Pro 地面站专业版支持 NDVI 分析功能，用户可在实时 NDVI 和实时 RGB 影像之间进行切换，及时发现异常状况，从而快速做出针对性决策。
6. 厘米级定位系统
地理位置信息的准确性，是所有分析开展的基础。由于 RTK 模块与多光谱相机的空间相对位置不同，如产生较大的位置误差，将使多光谱研究结论大打折扣。
精灵 4 多光谱版无人机在每一台无人机出厂前都做过逐一标定，将标定参数写入照片。同时通过 TimeSync 时间同步系统，将飞控、相机与 RTK 时钟系统微秒级同步，实现相机成像时刻毫秒级误差。
7. 多样化的 RTK 定位服务方案
精灵 4 多光谱版无人机兼容 D-RTK 2 移动站及网络 RTK ，为用户提供多样化定位服务选择，满足不同应用场景下对采集精度的高标准要求。
多光谱技术的深度应用，如同打开了探究世界的新大门。各行业在精灵 4 多光谱版无人机这把钥匙的帮助下，将探索更加广袤的天地。
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