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)，以便選定中心波長的輻射光直接通過。

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

早期的機載高光譜成像儀經(jīng)常采用掃帚操作模式，例如美國宇航局噴氣推進實驗室(JPL)開發(fā)的機載可見光/紅外成像光譜儀(AVIRIS)。這是因為使用一維線性探測器陣列，它可以在某一時刻僅記錄一個地面像素(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地面采樣單元進行交叉軌跡逐個掃描，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，儀器掃描完當(dāng)前越軌線的所有地面采樣單元后，開始掃描下一條越軌線的地面采樣單元。 -軌道方向)，等等。

圖1 使用線性探測器陣列以掃帚模式運行的高光譜成像儀的概念

拂掃式高光譜成像儀的優(yōu)點如下

①儀器設(shè)計簡單；

②寬幅(即跨軌跡線的長度)，因為幅寬由掃描機制決定，而不是由二維探測器陣列空間方向上的可用像素數(shù)量決定；

③易于校準，因為場景內(nèi)地面采樣單元的所有光譜都是由相同的線性探測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。這種類型的高光譜成像儀沒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如下

①需要一個機械掃描儀，其中包含真空室中的移動部件。

②空間不一致需要進行后處理。

③由于積分時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)域探測器陣列并以推掃式操作模式運行。圖3顯示了使用二維探測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整行地面采樣單元進行成像，而飛機或航天器則在沿航跡方向上提供前向掃描。無需逐一掃描各個地面采樣單元。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器陣列上，該陣列提供沿一個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光譜儀集成到單個儀器中。

圖2 基于色散元件的高光譜成像儀概念示例

以推掃模式運行的基于色散元件的高光譜成像儀的優(yōu)點如下

①沒有活動部件；

②全等空間圖像；

③每個地面采樣單元的積分時間較長，因為每個地面采樣單元均由 2-D 探測器陣列的行元件(例如，圖 中的 A、B、C、…、G 行)同時感測，而不是逐個感測，它省略了跨軌道線中所有地面采樣單元的分時掃描。較長的積分時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如下

①復(fù)雜的光學(xué)設(shè)計和復(fù)雜的焦平面；

②條帶寬度受到空間方向上二維探測器陣列的可用像素數(shù)量的限制；

③復(fù)雜的校準；

④同時存在光譜失真(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)需要針對微笑和梯形失真進行充分校正，然后再分發(fā)給用戶進行下游應(yīng)用。