基于色散元件的高光譜成像儀使用色散元件(例如棱鏡或衍射光柵)將來(lái)自物體的輻射光分離成光譜分量。將光柵或透明棱鏡插入光譜儀的準(zhǔn)直光束中，將輻射光分解為其單色成分。光柵色散的單色分量呈線性分布，而棱鏡色散的單色分量呈非線性分布。棱鏡還可用于將輻射光分解為其單色成分。棱鏡是光柵和棱鏡的組合(也稱為光柵棱鏡)，以便選定中心波長(zhǎng)的輻射光直接通過(guò)。

基于色散元件的高光譜成像儀是機(jī)載和星載遙感中最受歡迎的成像儀。此類(lèi)高光譜成像儀需要通過(guò)專(zhuān)用掃描儀或整個(gè)儀器隨著飛機(jī)或衛(wèi)星的飛行運(yùn)動(dòng)掃描地面場(chǎng)景，以獲得空間覆蓋范圍。場(chǎng)景掃描有兩種操作模式：拂掃式和推掃式。使用一維線性探測(cè)器陣列的基于色散元件的高光譜成像儀在拂掃模式下運(yùn)行，而使用二維區(qū)域探測(cè)器陣列的基于色散元件的高光譜成像儀在推掃模式下運(yùn)行。

早期的機(jī)載高光譜成像儀經(jīng)常采用掃帚操作模式，例如美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)開(kāi)發(fā)的機(jī)載可見(jiàn)光/紅外成像光譜儀(AVIRIS)。這是因?yàn)槭褂靡痪S線性探測(cè)器陣列，它可以在某一時(shí)刻僅記錄一個(gè)地面像素(或地面采樣單元)的光譜的單色分量。儀器需要采用拂掃模式對(duì)地面采樣單元進(jìn)行交叉軌跡逐個(gè)掃描，如圖 所示。。當(dāng)飛行器或衛(wèi)星沿飛行方向(也稱為沿飛行方向)向前飛行時(shí)，儀器掃描完當(dāng)前越軌線的所有地面采樣單元后，開(kāi)始掃描下一條越軌線的地面采樣單元。 -軌道方向)，等等。

圖1 使用線性探測(cè)器陣列以掃帚模式運(yùn)行的高光譜成像儀的概念

拂掃式高光譜成像儀的優(yōu)點(diǎn)如下

①儀器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；

②寬幅(即跨軌跡線的長(zhǎng)度)，因?yàn)榉鶎捰蓲呙铏C(jī)制決定，而不是由二維探測(cè)器陣列空間方向上的可用像素?cái)?shù)量決定；

③易于校準(zhǔn)，因?yàn)閳?chǎng)景內(nèi)地面采樣單元的所有光譜都是由相同的線性探測(cè)器陣列和相同的光學(xué)器件生成的，它們具有相同的光譜特性。這種類(lèi)型的高光譜成像儀沒(méi)有推掃式高光譜成像儀那樣的空間失真(也稱為梯形失真)；

掃帚式高光譜成像儀的缺點(diǎn)如下

①需要一個(gè)機(jī)械掃描儀，其中包含真空室中的移動(dòng)部件。

②空間不一致需要進(jìn)行后處理。

③由于積分時(shí)間短而限制了高光譜和空間分辨率要求。

幾乎所有星載高光譜成像儀都使用二維區(qū)域探測(cè)器陣列并以推掃式操作模式運(yùn)行。圖3顯示了使用二維探測(cè)器陣列的基于色散元件的高光譜成像儀概念的示例。如圖所示，它在跨航跡方向上對(duì)整行地面采樣單元進(jìn)行成像，而飛機(jī)或航天器則在沿航跡方向上提供前向掃描。無(wú)需逐一掃描各個(gè)地面采樣單元。然后，在光譜儀狹縫上形成的跨軌線的一維圖像被分散到二維探測(cè)器陣列上，該陣列提供沿一個(gè)軸的光譜信息和沿另一軸的空間信息。該架構(gòu)有效地將與交叉軌道線中的地面采樣單元一樣多的單獨(dú)光譜儀集成到單個(gè)儀器中。

圖2 基于色散元件的高光譜成像儀概念示例

以推掃模式運(yùn)行的基于色散元件的高光譜成像儀的優(yōu)點(diǎn)如下

①?zèng)]有活動(dòng)部件；

②全等空間圖像；

③每個(gè)地面采樣單元的積分時(shí)間較長(zhǎng)，因?yàn)槊總€(gè)地面采樣單元均由 2-D 探測(cè)器陣列的行元件(例如，圖 中的 A、B、C、…、G 行)同時(shí)感測(cè)，而不是逐個(gè)感測(cè)，它省略了跨軌道線中所有地面采樣單元的分時(shí)掃描。較長(zhǎng)的積分時(shí)間意味著收集更多的照片并導(dǎo)致更高的信噪比 (SNR)。

推掃式高光譜成像儀的缺點(diǎn)如下

①?gòu)?fù)雜的光學(xué)設(shè)計(jì)和復(fù)雜的焦平面；

②條帶寬度受到空間方向上二維探測(cè)器陣列的可用像素?cái)?shù)量的限制；

③復(fù)雜的校準(zhǔn)；

④同時(shí)存在光譜失真(也稱為微笑)和空間失真(也稱為梯形失真)。推掃式高光譜成像儀收集的高光譜數(shù)據(jù)需要針對(duì)微笑和梯形失真進(jìn)行充分校正，然后再分發(fā)給用戶進(jìn)行下游應(yīng)用。