目前，在國外工業(yè)發(fā)達國家的高光譜成像系統(tǒng)產(chǎn)品普遍處于較先進水平，世界大型生產(chǎn)企業(yè)主要集中在北美和歐洲等。國外知名度高的廠商憑借良好的產(chǎn)品和口碑長期占據(jù)比較大的市場份額。同時，國外公司有比較成熟的設(shè)備，強大的研發(fā)能力，技術(shù)水平優(yōu)于國內(nèi)企業(yè)。

2017年全球高光譜成像系統(tǒng)產(chǎn)量達到395臺，銷售額約6849萬美元。qyresearch預(yù)計2023年將達到13456萬美元，年復(fù)合增長率（CAGR）為11.91%。從全球范圍看，北美是最大生產(chǎn)地區(qū)，主要生產(chǎn)企業(yè)也集中在這一地區(qū)，比如美國Headwall Photonics,美國Resonon，美國Surface Optics，美國康寧（并購NovaSol），加拿大ITRES，加拿大Telops和美國Brimrose等。北美地區(qū)2017產(chǎn)量共239臺，占全球的60.61%，其次是歐洲，主要生產(chǎn)商有芬蘭Specim，歐洲微電子研究中心（IMEC），挪威納斯克電子光學(xué)公司（Norsk Elektro Optikk AS）等。中國的高光譜成像行業(yè)仍然是一個未開發(fā)的市場。中國高光譜成像產(chǎn)品目前主要應(yīng)用于軍事機構(gòu)和部分高校研究機構(gòu)，量產(chǎn)并形成銷售的企業(yè)不多。目前形成生產(chǎn)和銷售能力的主要企業(yè)有北京卓立漢光和深圳中達瑞和等廠商，大多數(shù)的高光譜成像產(chǎn)品仍然依賴進口。

高光譜成像系統(tǒng)市場增長的推動因素主要是技術(shù)應(yīng)用由軍事機構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)向民用企業(yè)，例如生命科學(xué)和診斷，地質(zhì)調(diào)查，植被遙感，農(nóng)業(yè)監(jiān)測，大氣遙感，水文學(xué)，災(zāi)害環(huán)境遙感，土壤調(diào)查等。然而，高投入，高安裝費用等問題正在阻礙該市場的增長。雖然國內(nèi)高光譜成像市場有良好的政策紅利，但是由于上游原材料均被國外公司壟斷，而國內(nèi)企業(yè)在核心設(shè)備上仍無法突破技術(shù)瓶頸，使得產(chǎn)品的價格波動受制于上游原材料廠商。對中國的生產(chǎn)企業(yè)非常不利，中國的高光譜成像行業(yè)仍需很長的路要走。

在未來幾年，高光譜成像市場有望在亞太地區(qū)獲得高速增長。雖然高光譜成像系統(tǒng)帶來了很多的機會，考慮到技術(shù)研發(fā)水平和原材料制約因素，研究組建議的新進入者只是有資金，但沒有技術(shù)優(yōu)勢，全面鋪開的銷售渠道及上下游的支持最好不要進入這個領(lǐng)域。

高光譜遙感的發(fā)展趨勢

高光譜遙感是高光譜分辨率遙感的簡稱。它是在電磁波譜的可見光，近紅外，中紅外和熱紅外波段范圍內(nèi)，獲取許多非常窄的光譜連續(xù)的影像數(shù)據(jù)的技術(shù)。其成像光譜儀可以收集到上百個非常窄的光譜波段信息。高光譜遙感已發(fā)展成一個頗具特色的前沿技術(shù)，并孕育形成了一門成像光譜學(xué)的新興學(xué)科門類。它的出現(xiàn)和發(fā)展將人們通過遙感技術(shù)觀測和認(rèn)識事物的能力帶入了又一次飛躍，續(xù)寫和完善了光學(xué)遙感從全色經(jīng)多光譜到高光譜的全部影像信息鏈。由于高光譜遙感影像提供了更為豐富的地球表面信息，因此受到國內(nèi)外學(xué)者的很大關(guān)注，并有了快速發(fā)展。其應(yīng)用領(lǐng)域已涵蓋地球科學(xué)的各個方面，在地質(zhì)找礦和制圖、大氣和環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)和森林調(diào)查、海洋生物和物理研究等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

2.2.1 國內(nèi)高光譜成像儀的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)高光譜成像技術(shù)的研究開始于20世紀(jì)80年代，對于機載成像光譜技術(shù)的研究，國內(nèi)機載高光譜成像技術(shù)的發(fā)展基本與國外同步。世界上第一臺高光譜儀AIS-1于1983年在美國噴氣推進實驗室研制成功，在礦物填圖、植被化學(xué)成分、水色及大氣水分等方面進行了試驗應(yīng)用，并獲得成功。與此同時，以中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所為主，與美國GER公司進行合作，成功研制出一臺早期的6波段細(xì)分紅外光譜儀（FIMS），在美國成功地進行了礦物填圖試驗。在我國“七五”期間，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所開展了64波段可見短波紅外和7波段熱紅外模塊航空高分辨率光譜儀的研制工作。由中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制的MAIS，OMIS，PHI和WHI等系列機載高光譜成像儀，其性能指標(biāo)均處于國際先進水平，并在國內(nèi)外的遙感應(yīng)用中獲取了大量實用化的高光譜圖像數(shù)據(jù)，極大地推動了國際上成像光譜技術(shù)的發(fā)展。

與國外相比，中國星載高光譜成像技術(shù)的發(fā)展有較大差距。我國第一臺高光譜成像儀是中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制的SZ-3中分辨率高光譜成像儀，于2002年發(fā)射，成為全球第二個上天的可見光/紅外中分辨率光譜成像儀，其空間分辨率為500m，光譜通道數(shù)為30個，其成果獲得2004年國家科技進步二等獎。在“九五”和“十五”期間，國家部署了星載高光譜成像儀的研究工作，已取得了重大進展。例如，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所承擔(dān)的星載高光譜成像技術(shù)的研究項目，研制出了工程樣機，其光譜范圍為400～2500nm，光譜分辨率為5～12nm；在軌道高度500km下，空間分辨率達20m，幅寬為20km，通過了力學(xué)試驗。2008年9月發(fā)射的環(huán)境一號A衛(wèi)星上，裝載了一臺傅立葉分光高光譜成像儀，光譜覆蓋可見近紅外波段，光譜通道數(shù)為115個，空間分辨率為100m，幅寬為50km，用于環(huán)境和災(zāi)害的監(jiān)測。

（1）實用型模塊化高光譜成像儀（OMIS）

OMIS是20世紀(jì)70年代以來，在所研制的各類通用/專用航空掃描儀的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)成像光譜技術(shù)的發(fā)展趨勢而研制的一臺光機掃描型高光譜成像儀。其波段覆蓋全，在可見光到長波紅外的所有大氣窗口上設(shè)置探測波段，滿足不同需求的綜合遙感應(yīng)用；工作效率高，采用70°以上的掃描視場，提高實用化作業(yè)效率；采樣波段多，系統(tǒng)工作波段達到128個，是當(dāng)時國際上光譜通道數(shù)最多的遙感儀器之一；定量化程度高，通過機上實時定標(biāo)裝置與實驗室輻射和光譜定標(biāo)裝置，使系統(tǒng)具備定量化成像光譜數(shù)據(jù)的能力。

OMIS研制成功后，在國內(nèi)外進行了數(shù)百次的遙感飛行，獲取了大量的成像光譜數(shù)據(jù)，受到了國內(nèi)外同行和用戶的高度評價。該項目獲得2002年上海市科技進步一等獎和2004年國家科技進步二等獎。OMIS系統(tǒng)的詳細(xì)性能指標(biāo)見表2.1 ，圖2.1是OMIS系統(tǒng)的實物照片，圖2.2是OMIS典型遙感應(yīng)用圖像。

表2.1 OMIS系統(tǒng)性能指標(biāo)

（2）機載推帚式高光譜成像儀（Airborne WHI）

WHI是中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所于1997年研制成功的機載推帚式高光譜成像儀。WHI實現(xiàn)了高性能、實用化的總體設(shè)計，技術(shù)指標(biāo)達到國際先進水平。WHI儀器的主要技術(shù)指標(biāo)如表2.2所示。

圖2.1 OMIS系統(tǒng)的實物照片

圖2.2 OMIS典型遙感飛行圖像（北京北郊）

表2.2 WHI性能指標(biāo)

WHI已成功用于我國廣西、新疆、江西等地的生態(tài)環(huán)境、城市規(guī)劃等遙感應(yīng)用項目及日本、馬來西亞等國際合作項目，取得了良好的社會和經(jīng)濟效益，并獲得2004年國家科技進步二等獎。圖2.3是WHI高光譜成像儀的實物照片，圖2.4是WHI在日本名古屋飛行時獲取的圖像。

圖2.3 WHI高光譜成像儀的實物照片

圖2.4 WHI高光譜成像儀獲取的圖像（日本名古屋）

（3）HJ-1-A衛(wèi)星高光譜成像儀

中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所于2003年開始承擔(dān)環(huán)境一號A星主載荷高光譜成像儀（HJ-1-A/FTHSI）的研制工作，環(huán)境一號衛(wèi)星于2008年9月發(fā)射，主要用于環(huán)境和災(zāi)害的監(jiān)測。HJ-1-A/FTHSI是我國第一臺在軌運行的對地觀測高光譜成像儀，對于促進我國高光譜成像技術(shù)的發(fā)展具有重要意義，其性能指標(biāo)如表2.3所示。圖2.5是HJ-1-A衛(wèi)星高光譜成像儀的實物照片。

表2.3 HJ-1-A衛(wèi)星高光譜成像儀技術(shù)指標(biāo)

續(xù)表

圖2.5 HJ-1-A衛(wèi)星高光譜成像儀的實物照片

2.2.2 國外高光譜成像儀的研究現(xiàn)狀

2.2.2.1 第一代高光譜成像儀

1983年，第一幅由航空高光譜成像儀（AIS-1）獲取的高光譜分辨率圖像以全新的面貌呈現(xiàn)在科學(xué)界面前，它的出現(xiàn)標(biāo)志著第一代高光譜分辨率傳感器的面世。第一代高光譜成像儀以AIS-I和AIS-2為代表，在以后數(shù)年中AIS數(shù)據(jù)被成功地應(yīng)用于多個研究領(lǐng)域。

AIS高光譜成像儀由光學(xué)系統(tǒng)、探測器和電子線路三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2.6所示。AIS的光學(xué)系統(tǒng)由前置光學(xué)系統(tǒng)和光譜儀兩部分組成，前置光學(xué)系統(tǒng)是由M1和M2兩個反射鏡組成的同軸許瓦茨希爾特望遠(yuǎn)鏡，口徑為23.5mm，焦距為70.7mm；光譜儀是由準(zhǔn)直鏡M3、光柵和會聚反射鏡M4組成。

圖2.6 AIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表2.4給出了AIS高光譜成像儀的主要性能指標(biāo)，其光譜范圍覆蓋了短波紅外1.2～2.4μm，譜段數(shù)多達128個，光譜采樣間隔優(yōu)于10nm，但幅寬只有150多米。因為當(dāng)時探測器的研制技術(shù)有限，所以其幅寬非常窄。但它的確開創(chuàng)了兼顧高光譜和高空間分辨率、使光譜和圖像合一的高光譜遙感技術(shù)新時代。

表2.4 AIS主要性能指標(biāo)

2.2.2.2 第二代高光譜成像儀

第二代高光譜成像儀于1987年問世，美國宇航局從1983年開始研制一種名為航空可見光高光譜成像儀（AVIRIS），它是第二代高光譜成像儀的代表。此后，許多國家先后研制出多種類型的航空高光譜成像儀，如美國的AVIRIS，DAIS，加拿大的FLI，CASI，德國的ROSIS，澳大利亞的HyMap等，國外典型的機載高光譜成像儀如表2.5所示。與AIS傳感器相比，AVIRIS在傳感器本身、定標(biāo)、數(shù)據(jù)系統(tǒng)及飛行高度等方面都有很大的改進。與AIS不同，AVIRIS是掃描型高光譜成像儀。

表2.5 AVIRIS性能指標(biāo)指標(biāo)

如圖2.7所示，AVIRIS采用肯尼迪（Kennedy）掃描機構(gòu)，利用三角形棱柱的兩面反射鏡實現(xiàn)高效率掃描，焦面上的四根光導(dǎo)纖維按垂直飛行軌跡方向排列，它們將收集到的各波段像元的輻射傳送到四個光譜儀的入口處，其中四個光譜儀的波段范圍分別為0.4～0.7μm，0.6～1.25μm，1.2～1.82μm，1.78～2.4μm。光譜儀采用一種自準(zhǔn)直型施密特（Schmidt）全反射系統(tǒng)，使用光柵進行分光，光柵排列在非球面校正鏡上。分光后的光線再經(jīng)光譜儀的反射鏡聚焦到探測器列陣上，以便得到多光譜圖像。AVIRIS設(shè)計時有四項主要要求：①在光譜方面，比AIS寬，可以覆蓋0.4～2.5μm的太陽反射波段；②在空間分辨率方面，比AIS提高將近一倍；③幅寬比AIS提高將近一個量級，總視場為30°，每行達到550 個像元；④提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，為應(yīng)用研究部門提供高可靠性的有用數(shù)據(jù)。圖2.8和表2.5分別給出了儀器的結(jié)構(gòu)模型和主要性能指標(biāo)。

2.2.2.3 第三代高光譜成像儀

在航天領(lǐng)域，由美國噴氣推進實驗室研制的對地觀測計劃中的中分辨率高光譜成像儀（MODIS），隨TERRA衛(wèi)星發(fā)射，成為第一顆在軌運行的星載高光譜成像儀。21世紀(jì)以來，在機載儀器成功研制并推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)上，世界航天大國紛紛開展高光譜成像技術(shù)的空間應(yīng)用，主要有：

1）1997年發(fā)射失敗的LEWIS-Hyperspectral Imager；

圖2.7 AVIRIS光機原理圖

圖2.8 AVIRIS儀器結(jié)構(gòu)模型圖

2）2001年10月22日發(fā)射的歐洲CHRIS（Compact High Resolution Imaging Spectrometer）；

3）2000年7月19日發(fā)射的美國強力星傅立葉高光譜成像儀MightySatII-FTHSI（Fourier Transform Hyper-Spectral Imager）；

4）2000年12月21日發(fā)射的美國航空航天局新千年計劃的EO1-Hyperion高光譜成像儀；

5）2001年9月21日發(fā)射失敗的OrbView4-WarFighter1 hyperspectral imager；

6）2005年8月10日發(fā)射的火星勘探者MRO-CRISM（MARS Reconnaissance Orbiter-Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars）；

7）計劃中的美國海軍NEMO-COIS（Naval Earth Map Observer Program，Coastal Ocean Imaging Spectrometer）。

表2.6 給出了國外星載高光譜成像儀的主要技術(shù)指標(biāo)。光譜范圍基本分布在 0.4～2.5μm（CRISM覆蓋到了4.05μm），空間分辨率為8～60m，幅寬為5～30km，光譜分辨率為5～20nm。典型的星載高光譜成像儀有歐洲的CHRIS，美國的Hyperion和FTHSI，它們分別代表了以棱鏡、傅立葉干涉和光柵分光的三種主要的分光方式。

表2.6 國外星載高光譜成像技術(shù)的主要技術(shù)指標(biāo)

（1）基于棱鏡分光的CHRIS高光譜成像儀

CHRIS是歐空局在軌自主運行計劃（PROBA-1，Project for On-Board Autonomy）的主要有效載荷，該衛(wèi)星于2001年10月22日在印度Shriharikota 航天發(fā)射場發(fā)射升空。經(jīng)過幾年的在軌運行，CHRIS獲取了大量高質(zhì)量的空間成像光譜數(shù)據(jù)。

CHRIS覆蓋400～1050nm的可見近紅外譜段，采用棱鏡分光，望遠(yuǎn)鏡的口徑為120mm，F(xiàn)數(shù)為6。望遠(yuǎn)鏡采用折反射同軸兩反系統(tǒng)，主反射鏡和次反射鏡均采用球面結(jié)構(gòu)，光學(xué)入瞳處的彎月形大透鏡校正球差，光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖2.9所示。CHRIS系統(tǒng)的光譜儀包括入射狹縫、兩個曲面棱鏡、三個球面反射鏡（其中包含2個凹面和1個凸面）構(gòu)成。類似Offner結(jié)構(gòu)的三反鏡起到二次成像的作用，光路中的兩個球面棱鏡起到色散和會聚的作用。

圖2.9 CHRIS系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)圖

CHRIS的特點是結(jié)構(gòu)相對簡單、質(zhì)量輕、空間分辨率較高，不足的是僅覆蓋了可見近紅外譜段。另外，CHRIS的光譜采樣間隔為非均勻分布。圖2.10是CHRIS的光譜帶寬分布曲線，可以看出短波方向光譜帶寬較窄，在400 nm的波段位置為1.25 nm；長波方向光譜帶寬較大，1050 nm的波段位置為11 nm。圖2.11給出了 CHRIS 在軌的系統(tǒng)信噪比，“Peak_SNR”來自圖 2.12 中的（a）圖像，“SNR”來自（b）圖像。

圖2.10 CHRIS儀器光譜分辨率與波長的關(guān)系曲線

（2）基于傅立葉干涉分光的FTHSI高光譜成像儀

美國空軍研究實驗室于2000年7月19日在范登堡空軍基地發(fā)射了一顆搭載首臺空間平臺傅立葉高光譜成像儀（FTHSI）的衛(wèi)星MightySatII。FTHSI覆蓋475～1050nm的光譜范圍，采用Sagnac干涉儀進行分光，光譜分辨率約85 cm-1。FTHSI也是第一臺應(yīng)用于空間對地觀測的高光譜成像儀。光學(xué)系統(tǒng)由有效口徑為165 mm的R-C望遠(yuǎn)鏡和Sagnac干涉儀組成。系統(tǒng)空間維的F數(shù)為3.4 ，光譜維的F數(shù)為5.3。探測器選用Thomson公司的TH7887A探測器，工作幀頻為75～110 fps。根據(jù)不同的像元合并，量化精度為8 bit或12 bit。圖2.13是FTHSI系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，圖2.14給出了系統(tǒng)的測試信噪比，只有720～960 nm之間的光譜通道信噪比大于50 ，到550 nm之前的光譜通道信噪比已小于20 ，而500 nm以前光譜通道的信噪比已幾乎為零。

圖2.11 CHRIS光譜各通道信噪比

圖2.12 CHRIS信噪比測試圖像

圖2.13 MightySatII/FTHSI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2.14 MightySatII.1/FTHSI信噪比測試結(jié)果

（3）基于凸面光柵分光的Hyperion高光譜成像儀

EO-1（Earth Observing-1）是美國NASA為接替Landsat 7而研制的新地球觀測衛(wèi)星，于2002年11月發(fā)射升空。Hyperion高光譜成像儀是EO-1衛(wèi)星的主要光學(xué)有效載荷，其主要任務(wù)是在軌驗證高光譜成像技術(shù)，評估利用星載高光譜成像儀的對地觀測能力。系統(tǒng)著眼于能夠減少當(dāng)前商業(yè)遙感衛(wèi)星（LandSat）和相關(guān)地球觀測系統(tǒng)成本的新型遙感器和衛(wèi)星技術(shù)。

Hyperion儀器由光機頭部組件（HSA）、電子學(xué)組件（HEA）、制冷電子學(xué)組件（HEA）組成，如圖2.15所示。HSA包括光學(xué)系統(tǒng)、制冷器、在軌定標(biāo)系統(tǒng)和高速焦平面電子學(xué)電路。光學(xué)系統(tǒng)由望遠(yuǎn)物鏡和兩個光柵分光計組成。主光學(xué)采用離軸三反系統(tǒng)，口徑為125mm，F(xiàn)數(shù)為8；后光學(xué)是基于凸面光柵分光的offner光譜儀，其空間分辨率為30m，在0.4～2.5μm范圍內(nèi)共有220個波段，其中在可見光近紅外（400～1000nm）范圍內(nèi)有60個波段，在短波紅外（900～2500nm）范圍內(nèi)有160個波段。兩個通道在900～1000 nm的波段范圍內(nèi)有光譜重疊，可以利用這些光譜進行交叉定標(biāo)。圖2.16給出了Hyperion各光譜通道的信噪比分布曲線。

圖2.15 Hyperion高光譜成像儀組成

圖2.16 Hyperion光譜通道信噪比

2.2.3 高光譜成像儀的發(fā)展趨勢

從發(fā)展趨勢來看，目前國外高光譜成像技術(shù)發(fā)展已經(jīng)完成了演示驗證階段，正走向面向任務(wù)的業(yè)務(wù)化、商業(yè)化發(fā)展階段。美國國家航天局JPL實驗室負(fù)責(zé)的EO-1衛(wèi)星Hyperion儀器在軌演示了星載高光譜成像儀在礦產(chǎn)資源探測、環(huán)境監(jiān)測、城市規(guī)劃等方面的突出能力。通過EO-1-Hyperion及機載AVIRIS的綜合應(yīng)用研究，目前美國產(chǎn)業(yè)界和軍方均著手于星載高光譜成像儀在商業(yè)化運作、軍事偵察等方面的業(yè)務(wù)應(yīng)用。歐空局及俄羅斯在星載高光譜成像儀研制與應(yīng)用方面也給予了極大的關(guān)注。

為滿足業(yè)務(wù)化運行的需要，高光譜成像儀正向著更寬的光譜覆蓋范圍、更高的空間分辨率、更大的幅寬和更高的定量化水平方向發(fā)展。從表2.7可以看出，目前國際上發(fā)展的高光譜成像儀的性能指標(biāo)均有大幅提高。在“863”項目“寬幅高光譜小衛(wèi)星載荷關(guān)鍵技術(shù)研究”的支持下，我國開展了相應(yīng)載荷的研制工作，高光譜成像儀在幅寬和波段數(shù)上具有優(yōu)勢，其他指標(biāo)與上述同類儀器相近。

表2.7 國內(nèi)外計劃發(fā)展的高性能民用星載高光譜成像儀