高光谱成（chéng）像技术起源于地（dì）质矿物识别填图研究，逐（zhú）渐扩展为植（zhí）被（bèi）生态（tài）、海洋海岸水色、冰雪、土壤以及大气（qì）的研究中。对空间探测、军事安全、国土（tǔ）资（zī）源（yuán）、科学研究等领（lǐng）域都（dōu）具有非常重要（yào）的意（yì）义。

所谓高光谱图（tú）像就是在光谱维度上进（jìn）行（háng）了细致（zhì）的分（fèn）割，不仅仅是传统所（suǒ）谓的（de）黑、白或者R、G、B的区别，而是在光谱维度上也有（yǒu）N个（gè）通道，例如：我们可（kě）以把400nm-1000nm分（fèn）为300个（gè）通道。因（yīn）此，通过高光谱设备获取到的是一个数据（jù）立（lì）方，不（bú）仅有图像的信息，并且在光谱维度上进行（háng）展（zhǎn）开，结果不（bú）仅可以获得（dé）图像上每个点的光谱数据（jù），还可以获（huò）得任一个（gè）谱段的影像信（xìn）息。

目（mù）前（qián）高光谱（pǔ）成像技（jì）术发（fā）展迅速，常（cháng）见的包括光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱（léng）镜（jìng）分光、芯片镀膜等。

光栅分光（guāng）原理：

在经典物（wù）理学中，光波穿过狭缝、小孔或者圆盘之类的障碍物时，不同（tóng）波长的光会发生不同程度的弯散传播，再通过光（guāng）栅进（jìn）行衍射分光，形成一条条谱带。也（yě）就是说：空间中的一（yī）维信息通过镜头和狭缝后，不（bú）同波长的光按照（zhào）不同（tóng）程度的弯散传播，这一维图（tú）像上的（de）每个点，再通过（guò）光栅进行衍射分光，形成（chéng）一个谱带，照射到探（tàn）测器上，探（tàn）测器上的每个像素位置和强度表征光谱和强度。一个（gè）点对应一（yī）个谱段，一条线就对应一个谱面，因此探测器每次成像是空间一条线上（shàng）的光（guāng）谱信息，为了（le）获（huò）得空间二维图像再通过机械推扫，完成整个平面的图像和光谱数据采集。

经过狭缝的光（guāng）由于不同波长照射到（dào）不同的探测器像元上，光能量很低（dī），因此需要选（xuǎn）择高（gāo）灵（líng）敏相机，同时需要加光源。例如系（xì）统（tǒng）如下：

声光可调（diào）谐滤波分光(AOTF)原理：

AOTF由声光介质、换能器和声终端三部分（fèn）组成。射频（pín）驱（qū）动信号（hào）通过换能（néng）器在（zài）声光介质（zhì）内激励（lì）出超声波。改变射频（pín）驱动（dòng）信（xìn）号的频率，可以改变（biàn）AOTF衍射（shè）光的波长，从而实现（xiàn）电调谐波长的扫描。

最（zuì）常用（yòng）的AOTF晶体材料（liào）为TeO2即非共线（xiàn）晶（jīng）体，也就是说光波通过晶体之后以不同的出射角传（chuán）播。如上图（tú）所示：在晶体前端有（yǒu）一个（gè）换能器，作（zuò）用于不同的驱（qū）动频率，产生不同频率的振动（dòng）即声波。不同（tóng）的驱（qū）动频率对应于不同振动（dòng）的声（shēng）波，声波通过晶体TeO2之后，使晶体中（zhōng）晶格产生了布拉格衍射，晶格更像一种滤波（bō）器，使晶体只能通过一种波长的光。光进入晶（jīng）体之（zhī）后发（fā）生衍射（shè），产生衍（yǎn）射光和零级（jí）光。

l AOTF系统组成：

AOTF系统（tǒng）组成：成像物镜+准（zhǔn）直镜+偏振片+晶体+偏振片+物镜+detector，入射（shè）光经过物镜会聚之后进入准平行镜（jìng）(把所有的入射光变成平（píng）行光)，准平行光进入偏（piān）振片通过（guò）同（tóng）一方向的（de）传播的光，平行光进入晶体之后（hòu），平（píng）行于光轴的光按照原（yuán）来方向前行，非平行光进行衍射，分成两束相互垂直o光和e光(入射光的波长（zhǎng）不同经过晶体之后的o光与e光的角度也不同，因此在改变波（bō）长的过程中，图像会出（chū）现漂（piāo）移);o光和e光及0级光分别会聚在（zài）不同的面上。

为了保证入射光经过准平（píng）行（háng）镜（jìng）之后能够完全变化成（chéng）平行光，因此（cǐ）对前（qián）端的物（wù）镜视场（chǎng）角有一定的要求（qiú），根据晶体（tǐ）的xxx角，可（kě）算（suàn）出物镜最大（dà）的视场角，小于（yú）最大视场角（jiǎo）的情（qíng）况，成（chéng）像（xiàng）ok，如（rú）果大于（yú）视场角，则会（huì）造成重（chóng）影（yǐng）(衍射（shè）光与0级光（guāng）都（dōu）进入了sensor);

实现（xiàn）方法：

不同波（bō）长的（de）光（guāng）经过晶（jīng）体之后衍射光（guāng）与0级光的（de）夹角也不同，因此为了能够保证更好的成像效果（guǒ），在晶体的（de）出光口加入遮挡片，即遮挡0级光，避免与衍（yǎn）射光一起进入sensor，造成重影。

对（duì）聚光准直（zhí）系（xì）统的优化（huà）有（yǒu）两个方面：1提（tí）高光源的聚光效果，2减小（xiǎo）聚（jù）光（guāng）准直（zhí）系统的外形尺（chǐ）寸。

棱镜（jìng）分光：

入射光通过棱镜后被分成不同的（de）方向，然（rán）后照射到不同（tóng）方向的探（tàn）测器上进行（háng）成像。棱镜分（fèn）光后，在棱（léng）镜的出射面镀了不同波段的滤光膜，使得（dé）不同方（fāng）向的探测器可以（yǐ）采集（jí）到不（bú）同光谱（pǔ）信息，实现同时采集（jí）空间及光谱信息。

芯片镀膜

近年（nián）来（lái），IMEC(欧洲（zhōu）微电子（zǐ）研究（jiū）中心)采用高灵敏CCD芯片及SCMOS芯片研制了一种新的高（gāo）光谱成像技术（shù），在探测器的像元上（shàng）分别（bié）镀不同波段的滤波（bō）膜实现高（gāo）光谱成像，此（cǐ）技术大大（dà）降低的高光谱成像（xiàng）的成本。

目（mù）前IMEC提供三种标（biāo）准（zhǔn）的（de）光谱探测器（qì）：100波带的线扫描探测器，32波带的瓷砖式镀膜探测器，16波带以（yǐ）4x4为（wéi）一个（gè）波段的（de）马（mǎ）赛克式镀膜探测器

这种光谱技术的优点是可以同时获得光谱分辨率和空间分（fèn）辨（biàn）率，可以进行（háng）快速、高（gāo）性能地获得（dé）光谱信息和空（kōng）间信（xìn）息，集（jí）成度高，成本低。但是缺点是光谱灵敏度（dù）较低（dī），一般大于10nm，多用（yòng）于（yú）无人机等大范围扫描的光谱应用（yòng）领域（yù）。

利用大（dà）数据分析农作（zuò）物长势、病虫害和农田（tián）墒（shāng）情等信息可以让（ràng）农业生（shēng）产更（gèng）加精准（zhǔn）高效。获取这些大数据，就要先（xiān）给（gěi）土地做“CT”。为（wéi）土地（dì）做 “CT”的关键技术设备（bèi）在陕西省取得了（le）重大突破。中煤（méi）航（háng）测遥（yáo）感局（jú）采用小型固定翼无人机（jī）搭载高光（guāng）谱成（chéng）像仪成功实施了多（duō）次数据获取，成为（wéi）国内（nèi）首家成功实施该项技术集成的（de）技（jì）术团队。

长（zhǎng）期以来，国内高（gāo）光谱数据获取只能依赖大飞（fēi）机，导（dǎo）致数据（jù）成（chéng）本（běn）大（dà）大增（zēng）加（jiā），一（yī）般性科研和（hé）社会项（xiàng）目无法（fǎ）采（cǎi）用。另（lìng）外，在多旋翼无 人机上搭载的高光谱相（xiàng）机由于航（háng）时过短，难以（yǐ）获取大区域的高光谱数据。这些因素，制约了我国千米（mǐ）左右低空遥感信息产业的发展（zhǎn）。煤（méi）航（háng）在国内率先开展此项研究， 攻克了无（wú）人机搭（dā）载高光（guāng）谱成像仪的成（chéng）像（xiàng）控制与（yǔ）操控系统信号对接、数据预处理等一系列技（jì）术难（nán）题。该技术具有高光谱（pǔ）分辨率、高空间（jiān）分（fèn）辨（biàn）率、高（gāo）时间分辨率和（hé）低成本 获取的（de）显（xiǎn）著优势，能够（gòu）克服传统（tǒng）航（háng）天技术手段代价高、时（shí）效性不强等瓶（píng）颈，可（kě）开展大范围，高（gāo）频次的遥（yáo）感数据获取，并大大降低费用。

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

在（zài）实验中，研（yán）究（jiū）团队集成采用（yòng）无（wú）人机搭载（zǎi）微（wēi）型高（gāo）光（guāng）谱（pǔ）成（chéng）像仪，先后（hòu）两（liǎng）次成功获取（qǔ）了杨凌揉谷试验区近3平方公（gōng）里的高光谱数据。据煤航专家介绍，这套高光（guāng）谱成像 仪包括了（le）128个有效波段，波长区（qū）间为400-100纳（nà）米，每秒钟可（kě）获取（qǔ）50×50像素的（de）照片5张。同时，配（pèi）备了（le）一套1000×1000像（xiàng）素的全色成像 仪，用（yòng）于同步记录全色图像。根据这些数据，可以很好地分（fèn）析（xī）出（chū）植物的生长状（zhuàng）况（kuàng）、土（tǔ）壤内（nèi）有机物含量等信息。经过分（fèn）析和处理，这（zhè）些数据质量达到了预（yù）期标准，是（shì）国内首次（cì）在小型固定翼无（wú）人机上成功获取的高光谱（pǔ）试验数（shù）据。

该项技术是国家科技支撑计划项目“旱区多遥感平台农田信息（xī）精准获（huò）取技术集（jí）成与应用”课题中（zhōng）“航空和（hé）低空平台传感器（qì）和信（xìn）息获取”的核心成果。目前，煤航已经拥有电动和油动两种机（jī）型（xíng）共四架无人机，可搭载（zǎi）四种（zhǒng）传（chuán）感（gǎn）器（qì）。

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