光谱与成像光谱学

发布网友发布时间：2022-04-19 21:46

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1.1.1 光谱学

光谱学是光学的一个分支学科，研究各种物质光谱的产生及其同物质之间的相互作用，通过物质与不同频率的电磁波之间的相互作用来研究其性质的一种方法。光谱是电磁辐射按照波长的有序排列。根据实验条件的不同，各个辐射波长都具有各自的特征强度。根据研究光谱方法的不同，习惯上把光谱学区分为发射光谱学、吸收光谱学与散射光谱学。

有的物体能自行发光，由它直接产生的光形成的光谱叫做发射光谱。发射光谱可分为三种不同类别的光谱：线状光谱、带状光谱和连续光谱。线状光谱主要产生于原子，由一些不连续的亮线组成；带状光谱主要产生于分子，由一些密集的某个波长范围内的光组成；连续光谱则主要产生于白炽的固体、液体或高压气体受激发发射电磁辐射，由连续分布的一切波长的光组成。

当一束具有连续波长的光通过一种物质时，光束中的某些成分便会有所减弱，当经过物质而被吸收后所对应的光谱称为吸收光谱。几乎所有物质都有其独特的吸收光谱。例如，在白光通过气体时，气体将从通过它的白光中吸收与其特征谱线波长相同的光，使白光形成的连续谱中出现暗线。此时，这种在连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱被称作吸收光谱。通常情况下，在吸收光谱中看到的特征谱线会少于线状光谱。

散射光谱方面，当光照射到物质上时，会发生非弹性散射，在散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光波长长的和短的成分，后一现象统称为拉曼效应。这种现象于1928年由印度科学家拉曼所发现，因此这种产生新波长的光的散射被称为拉曼散射，所产生的光谱被称为拉曼光谱或拉曼散射光谱。

通过光谱的研究，人们可以得到原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识。对于地质矿产遥感而言，光谱特征与不同物质及其组合之间的特定对应关系是高光谱地质矿产资源遥感的重要基础。

1.1.2 成像光谱学

成像光谱学（imaging spectroscopy）是在20世纪80年代开始建立的，在传统光谱学基础上，将传统的光谱学和成像技术结合起来，在电磁波的紫外、可见光、近红外和中红外区域，获取许多非常窄且光谱连续的图像数据的技术。这种技术设计出的新型遥感仪器，叫成像光谱仪（imaging spectrometer）。成像光谱仪通常以上百个光谱通道连续记录影像数据。

光谱成像技术根据不同的方面可以分成不同的类型。依据波段数量与光谱分辨率分类可分为：在可见光-近红外区间只有几个波段的多光谱成像技术、在可见光-近红外区间有几百个波段的高光谱成像技术以及在可见光-近红外区间有数千个波段的超光谱成像技术；依据探测器工作方式可分为：掸扫式光谱成像、推扫式光谱成像及凝采式光谱成像。