高光谱成像仪作为精密的光学仪器，它能够实现同时获得二维空间图像信息和每个分辨像元的一维光谱信息，形成三维数据立方。作为一种光谱成像工具，高光谱成像仪根据波段、分光等方式的不同可以分为不同的类型，不同类型对其性能指标也不同。本文对高光谱成像仪的类型及主要性能指标做了分析。

高光谱成像仪的分类：

1.按工作波段的不同分类

根据成像光谱仪的工作波段进行分类，可以分为紫外、可见、近红外、中红外和远红外等几个波段，且不同工作波段的应用也各不相同。紫外波段一般用于观测星体（初始星体发出辐射剥离周围原子的电子）、电晕放电等方面；可见光波段为人眼视网膜可接波段，一般用于植被、水色监测及探测研究；红外波段为热温差成像，一般用于地温反演、目标打击毁伤效果评估、军事侦察等方面。

2.按分光方式不同分类

根据分光元件的分光方式及数据重构理论，光谱成像技术主要分为色散型、干涉型、滤光片型和计算成像型。

色散型成像光谱仪分光技术主要包括棱镜分光和光栅分光两种；滤光片型成像光谱仪技术采用滤光片为分光元件，其种类繁多，如滤光片轮、滤光片阵列、线性渐变滤光片、光楔滤光片等，另外还有两种经典的调谐型滤光器，声光可调谐滤光片（AOTF）和液晶可调谐滤光片（LCTF）。这两种技术都是直接探测目标的空间信息和光谱信息，不需进行其他的数据变换重构，但仅可获得二维数据（光谱维和一维空间信息），需要另一个维度的扫描才能够获得第二维空间信息并形成数据立方。

干涉型成像光谱技术也称作傅里叶变换光谱成像技术，按照探测模式可分为时间调制、空间调制和时空调制三类，主要利用的是波动光学的相干成像原理，获得探测目标的干涉图像后，需再经过一次傅里叶逆变换才能够得到光谱信息及空间图像。此种方式获得的也是二维数据，同样需要另一个维度的扫描才能够获得数据立方。

计算成像光谱技术主要包括计算层析型、光场成像型和孔径编码成像型等，能够直接获取三维数据立方，一般是将探测目标的三维信息投影到二维探测器上，并通过对应重构方法获得空间信息和光谱信息。

3.按扫描方式的不同分类：

根据获取三维数据立方的扫描方式可分为摆扫式、推扫式和凝视式。

摆扫式光谱成像系统采用线阵探测器，通过沿轨和穿轨两个方向扫描获取完整的二维空间信息，其中穿轨方向一般利用扫描镜实现。此种扫描方式在瞬时视场即可获得目标点的线阵光谱维信息，一般应用于机载平台，视场覆盖面积广、定标方便、数据信息稳定性好，但曝光时间短，进入探测器的能量少，所以信噪比低。

推扫式光谱成像系统采用的是面阵探测器，且探测器自身完成垂直于飞行方向扫描，获得空间中一维线视场的空间信息，并利用飞行器飞行运动完成沿轨方向扫描实现二维空间信息的获取，同时线视场的光谱信息在面阵探测器的第二维获得。此种扫描方式相对于摆扫式在信噪比方面大幅提高，无需机械扫描，适用于色散和干涉型成像光谱仪。

凝视式光谱成像系统采用面阵探测器，可随飞行器运动时对固定窗口目标成像，采用滤光的方式分离并获取不同波段的图像信息，再将不同波段的图像堆叠成“数据立方”，只适用于可调谐滤光片型和新型的快照式成像光谱仪。

4.按工作高度不同分类

根据高光谱成像仪的工作高度，可分为中低空、中空和中高空相机。工作高度决定了前置望远成像系统的焦距范围。

中低空作业的工作高度在二百米到四千米之间，焦距一般较短，通常不超过300mm，由于光学系统的工作高度较低，载机自身较容易受到攻击，所以侦察类高光谱相机主要用于目标的打击效果分析评估。

中空作业的工作高度在三千米到一万米之间，焦距范围为300～1000mm，成像方式通常为倾斜或者垂直式，主要应用于侦察地面或海面上的固定目标和活动目标。

中高空作业的工作高度在八千米到二万五千米之间，焦距范围为1000～3000mm，成像方式通常为倾斜式，主要应用于高空远距离侦察地面或海面上的目标。

其中，中空和中高空作业的航空相机由于工作高度较高、对地面的目标成像时距离远，所以载机自身生存能力强，且应用领域更广。

高光谱成像仪的性能指标：

高光谱成像仪的应用领域和范围，通常由其系统自身的性能参数决定。高光谱成像仪用于系统评估的性能参数有很多，主要包括工作光谱范围、光谱分辨率、探测器凝视时间、信噪比和集光本领等几个主要参数。

1.工作光谱范围

工作光谱范围指光谱仪能够记录的光谱范围，其主要由光学系统中光学元件的光谱透过率或者反射率，及所选探测器的光谱灵敏度范围决定。

2.光谱分辨率

光谱分辨率为探测光谱辐射能量的最小波长间隔，即光谱探测能力。对于光学系统来说，一般将其定义为光谱通道的波段宽度，即在工作光谱范围内，其分光元件所得光谱通道越多、波段宽度越窄，光谱分辨率越高；对于探测器来说，其被严格定义为仪器达到光谱响应最大值的50%时的波长宽度，探测器能够识别的波段数越多、波普范围越窄，地面物体信息越容易区分和识别，针对性越强。

3.信噪比

信噪比（SNR），其定义为成像光谱仪所采集的目标信号（VS）和（VN）的比值，其结果直接影响了目标图像分类和识别等数据处理效果。光学系统信噪比表达式为：

上式中，δ为探测器的像元尺寸，tin为探测器能量积分时间，τa为大气的平均透过率，τb为光学系统平均透过率，E为太阳在地面的光普照度，D*为探测器的可探测比，ρ为地物的反射率，z为太阳天顶角，Xt为光谱带宽，F为光学系统的F数，△f为噪声等效带宽。由上式可知，光学系统的F数越小，系统透过率越高，探测器像元尺寸越大、探测效率越高，仪器的信噪比越高。

4.探测器凝视时间

探测器凝视时间指仪器的瞬时视场扫过地元目标时，探测器的光能量积分时间。

凝视时间越长，探测器积分能量越多，光谱响应越强，所获取的目标图像信噪比越高。

5.集光本领

集光本领表示光谱仪收集和传递光能量的本领，即表明目标自身辐射的光谱亮度和仪器能够探测的光度数值的关系。对于成像光谱仪来说，集光本领可通过计算狭缝面积和孔径立体角之积得到，其中狭缝宽度对光谱分辨率有影响，其尺寸应与像元尺寸一致，因此可通过增大光学系统的孔径立体角提高集光本领。