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成像光谱仪未来发展展望

发表时间:2023-05-31 09:00作者:海丰汇小丰

每一种成像光谱仪形式的发展都伴随着设计技术和制造技术的突破,并会针对其具体应用场景而进行进一步的改进和优化。无论是已有的成熟成像光谱仪形式,还是正在发展的新型成像光谱仪形式,都必然会随着科学技术的提升而诞生出新的活力,因此在宏观意义上讲各种形式并没有明显的优劣之分,只能说在特定的应用领域中,某一类型的成像光谱仪其工作方式和性能更为突出。当然,尽管不同类型的成像光谱仪在性能上有所侧重,但是所有的成像光谱仪在通用指标上的未来发展方向都是向着高光谱分辨率高空间分辨率高光通量高时间分辨率发展的。

成像光谱仪发展的另一个重要方向是微小型化的应用,即将分光能力和器件最大程度地集成化和小型化。目前基于 MEMS 的可调谐滤光型成像光谱仪、傅里叶变换干涉型成像光谱仪和光栅式的色散型成像光谱仪已经基本实现了商业化,部分仪器甚至已经实现了消费级应用。随着相关技术的发展,各类微小型成像光谱仪的性能还可以得到进一步提升。而在未来,随着快照型计算式成像光谱技术的进一步发展,有望将已达到极小体积 (百微米级别) 的核心器件和设备缩小到 10 μm 级别。

▍滤光型成像光谱仪的发展展望

滤光型成像光谱仪本质上即为高光谱相机,也是最早在工程中应用的成像光谱仪类型之一,目前技术相对最为成熟,尤其在具备超高空间分辨率的多光谱详查和测绘相机载荷中应用最为广泛。在所有的成像光谱仪形式中,滤光型成像光谱仪一般而言是体积最小和最为紧凑的,覆盖场景能力 (视场角) 也是最大的,因此在有高机动性要求的小型平台 (如:无人机平台等) 上搭载可以发挥巨大的作用。

在未来,无论是星载平台还是机载平台,滤光型成像光谱仪仍然是重要的仪器应用类型之一。另外,随着制造技术的不断发展,干涉式滤光片的线宽将可进一步减小达到与色散型成像光谱仪的光谱分辨能力同等的程度,而随着各种光学可调谐器件的进一步发展,其光谱分辨能力也将获得进一步提高,达到甚至超过干涉型成像光谱仪的光谱分辨率,因此滤光型成像光谱仪也将随着各种先进技术的发展而进一步焕发青春。

▍色散型成像光谱仪的发展展望

色散型成像光谱仪一直是成像光谱仪的主要代表形式和应用形式,这种类型的成像光谱仪从单色仪发展而来,且环境适应性很高,因此也是目前各类星载、机载、船载、地基高光谱成像仪的主流结构形式。国内外的多个星上高精度定量观测载荷均采用了色散型成像光谱仪的形式,可以说色散型成像光谱仪的发展已经进入了成熟阶段。

随着制造技术和设计技术的进一步发展,变线间距光栅、特殊曲面光栅、特殊曲面棱镜等特殊色散元件逐渐开始得到应用,这势必将为色散型成像光谱仪的性能进一步发展提供技术基础。我国特种光栅的制造生产能力还相对薄弱,一定程度上影响了具备自主知识产权的色散型成像光谱仪的研制和发展;另外,我国的高光谱成像仪商业化发展也比较滞后,而色散型成像光谱仪在各类科研工作中是存在较大缺口的,使用产品主要以国外厂商的设备为主,需要进行产业化的关键技术攻关与发展。

▍干涉型成像光谱仪的发展展望

干涉型成像光谱仪在各类高精度探测和校准仪器中得到了广泛应用。除了应用于星上和飞行平台进行大气、风场等环境参数的高精度监测外,另一大重要应用就是地面检测校准仪器,如:Zygo 和 4D 干涉仪等。中国科学院西安光学精密机械研究所、中国科学院安徽光学精密机械研究所和中国科学院空天信息创新研究院在此领域具有很好的研究基础,其自主开发的仪器除了在卫星平台上得到应用外,也开始在地面上应用于实验室检测校准。

▍快照型成像光谱仪的发展展望

快照式成像光谱仪是近年来开始得到全面研究的新兴研究领域,这种成像光谱仪在传统成像光谱仪的基础上综合了数学、物理、微纳器件、图像算法甚至深度学习等多学科知识,力图在最大程度上快速、完整地获得整个探测场景的三维立方数据体。虽然目前这一领域还存在着一些技术瓶颈,但是在未来,快照式成像光谱仪必将在军事应用、环境监测、目标识别领域得到应用。

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