瞬态光谱成像方法回顾

瞬态光谱成像是指在探测器单个积分周期内，不通过空间或光谱维上的任何扫描而获得整个三维数据立方体的光谱图像采集方式，如图5－1（b）所示。瞬态成像光谱仪非常适合瞬态事件（事件发生时间大于一个探测器积分时间，但小于整个数据立方体的采集时间），或者随时间快速变化场景的光谱数据采集，具有以下4个主要优势：对瞬态事件光谱成像具有高时间分辨力（至探测器帧频）；光通量高，对微弱光谱信号仍能保证可接受的信噪比；无随时间变化的光谱失配和几何畸变；无扫描机构，系统稳定可靠。

瞬态光谱成像技术非常适合于高速运动目标的特征光谱数据采集。但是，瞬态成像光谱仪利用一个二维面阵探测器在单个积分时间内采集三维数据立方体时，如果不牺牲空间分辨率，将会涉及空间—光谱复用：利用一个M×N像元的探测器采集视场内L个谱段的M×N光谱图像时，数据立方体的维度将是M×N×L；在同一个探测单元上，将会“叠加”相邻物点的多个谱段上的光谱信息，即空间—光谱复用。复用的方式可以有不同形式，对应着成像过程的物理模型，图5－2（a）为计算机断层扫描成像光谱仪（Computed Tomographic Imaging Spectrometers，CTIS）［124，125］的投影复用原理，而图5－2（b）为此种投影方式在视觉上的一种效果呈现。为了重新获得原始形式的M×N×L数据立方体，需要利用M×N个观测数据进行光谱图像重建，实际上是对复用的逆过程。这一光学复用—数字解复用过程，即构成了计算光谱成像的核心内容。

图5－2　CTIS投影原理及其视觉效果

（a）CTIS投影原理；（b）CTIS的色散效果

最早的计算光谱成像原型系统即CTIS，由美国亚利桑那大学的M.Descour等于1995年建立［125］。他们利用光栅获得数据立方体的多阶衍射投影，并采用CT（Computed Tomo⁃graphy）数据重建方法从数据立方体对应的三维频率域中重建数据立方体，如图5－3所示。这项研究得到美国军方的资助，持续开展了瞬态光谱成像—偏振仪等研究项目［126，127］。2000年，美国陆军实验室在白沙导弹靶场组织了可见光和中红外谱段CTIS对一个发射中的导弹拦截器的瞬态光谱成像数据采集外场演示验证，并获得成功。但是，CTIS也存在着两个显著的缺陷：一是如图5－3傅里叶切片的“丢失锥”问题，使重建数据存在瑕疵；二是多阶衍射需要大面阵探测器，但重建数据立方体的空间尺寸却很小——对于一个2 048×2 048的FPA（Focal Plane Array）探测器，CTIS通常只能获得100×100的光谱图像尺寸。

图5－3　CTIS色散样式与傅里叶切片

（a）CTIS的3×3色散方式；（b）频率域的采样平面

为克服对大阵列探测器的依赖问题，杜克大学的学者们2007年开始提出了编码孔径瞬态光谱成像的原型（Coded Aperture Snapshot Spectral Imaging，CASSI）［123，128－130］，如图5－4所示。依据压缩采样定理［131］，CASSI利用一个M×N像元的探测器的观测值重建出视场内L个谱段的M×N光谱图像。由于此种方法将光谱与空间信息在探测器阵列上高度耦合，因此需要假定观测场景是可“压缩”的，并需要稀疏重建算法来估计出整个数据立方体中的光谱图像数据。此外，CASSI的成像质量和光谱分辨率还有待提高。(www.xing528.com)

图5－4　CASSI结构原理图

在天文观测领域，也有一些与上述计算光谱成像方法同样具有瞬态成像能力的方法。这些瞬态光谱成像方法通过不同的方法将二维空间物点的光谱信息分布在探测器阵列上［123］，如图5－5的FSSD（Filter Stack Spectral Decomposition）、FRIS（Fiber－Reformatting Imaging Spectroscopy）、IFS－L（Integral Field Spectroscopy with Lenslet arrays）、IMS（Image Mapping Spectrometry）。但这些方法未利用空间—光谱复用，只能生成非常有限的光谱图像规模，限制了其直接用于地基和机载平台上的瞬态光谱成像。

图5－5　一些瞬态成像光谱仪结构原理图

（a）FSSD；（b）FRIS

图5－5　一些瞬态成像光谱仪结构原理图（续）

（c）IFS－L；（d）IMS