高光譜成像技術(shù)原理

高光譜成像技術(shù)是將傳統(tǒng)的二維成像技術(shù)和光譜技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起從而獲得數(shù)據(jù)立方體的一門新興技術(shù),具有空間可識(shí)別性、超多波段、光譜分辨率高以及圖譜合一等優(yōu)點(diǎn),可應(yīng)用于大氣、食品、藥品安全檢測等領(lǐng)域。快照式高光譜成像技術(shù)是高光譜成像技術(shù)的一種,該技術(shù)通過一次拍照即可獲取目標(biāo)二維空間和一維光譜的全部信息,具有成像速度快,可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測等突出優(yōu)點(diǎn)。

什么是高光譜成像？

高光譜成像（Hypespectral）：是一種可以捕獲和分析一片空間區(qū)域內(nèi)逐點(diǎn)上光譜的精細(xì)技術(shù)，由于可以檢測到單個(gè)對象不同空間位置上的獨(dú)特光譜“特征”因此可以檢測到在視覺上無法區(qū)分的物質(zhì)。

圖2 高光譜波段示意圖

圖3 高光譜成像與顏色成像的區(qū)別

圖4 多光譜、高光譜、超光譜相機(jī)的種類

根據(jù)分光原理的不同，現(xiàn)有的高光譜相機(jī)主要分為三類：色散型、干涉型和濾光片型。

色散型高光譜相機(jī)一般先利用色散元件 (光柵或者棱鏡) 進(jìn)行分光， 再經(jīng)由成像系統(tǒng)成像在探測器上 ；

干涉型高光譜相 機(jī)主要是利用干涉圖與光譜圖之間的對應(yīng)關(guān)系，借助 干涉儀來測量譜線元的干涉強(qiáng)度，并對干涉圖進(jìn)行逆傅里葉變換得到目標(biāo)的光譜圖；

濾光片型高光譜 相機(jī)則是在成像光路中加入濾光片進(jìn)行分光，根據(jù)濾光片的不同，濾光片型高光譜相機(jī)又可以細(xì)分為旋轉(zhuǎn)濾光片型、楔形濾光片型、可調(diào)諧濾光片型和量子點(diǎn)濾光片型。下圖所示為前三種濾光片高光譜相機(jī)的原理示意圖?；跒V光片型的高光譜相機(jī)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式簡單、體積小、質(zhì)量輕、空間分辨率高、靈活性好等優(yōu)點(diǎn)。

  圖5 高光譜成像原理示意圖

高光譜相機(jī)成像一共有一下四種原理：

遙感成像原理： 

光進(jìn)入相機(jī)鏡頭，光電感應(yīng)裝置將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，量化電脈沖信號，記錄為一個(gè)像素值。傳感器響應(yīng)函數(shù)設(shè)計(jì)為，要使光電感應(yīng)裝置產(chǎn)生這個(gè)電脈沖信號，光子強(qiáng)度必須達(dá)到一個(gè)閾值。進(jìn)入鏡頭的光子數(shù)量取決于相機(jī)的感受野大小，鏡頭能通過的光子。多光譜圖像要分出多個(gè)波段，鏡頭會(huì)分光，紅濾鏡只過紅光，藍(lán)濾鏡只通過藍(lán)光，假設(shè)相同的光打到全色與多光譜鏡頭上，顯然因?yàn)闉V光的緣故，多光譜感光器接收到的光子要少于全色感光器。而這些光子已經(jīng)足夠全色產(chǎn)生電脈沖，卻不夠多光譜產(chǎn)生電脈沖，這時(shí)，為了接收到更多的光子，多光譜相機(jī)需要更大的感受野。也就是說，全色看了一眼北京市，就吃夠了光子，多光譜需要看一遍河北省，才能吃的和全色一樣飽。后面接收光子的底片一樣大，也就是說將北京市和河北省畫到同樣大小的一張紙上且占滿整張紙，顯然北京市的一張紙細(xì)節(jié)要多的多，而河北省的紅綠藍(lán)三張紙卻一片模糊。

高光譜成像原理:

物理老師說過，光波穿過狹縫、小孔或者圓盤之類的障礙物時(shí)，不同波長的光會(huì)發(fā)生不同程度的彎散傳播，再通過光柵進(jìn)行衍射分光，形成一條條譜帶。也就是說：空間中的一維信息通過鏡頭和狹縫后，不同波長的光按照不同程度的彎散傳播，這一維圖像上的每個(gè)點(diǎn)，再通過光柵進(jìn)行衍射分光，形成一個(gè)譜帶，照射到高光譜儀上，儀器上的每個(gè)像素位置和強(qiáng)度表征光譜和強(qiáng)度。一個(gè)點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)譜段，一條線就對應(yīng)一個(gè)譜面。因此高光譜儀每次成像是空間一條線上的光譜信息，為了獲得空間二維圖像再通過機(jī)械推掃，完成整個(gè)平面的圖像和光譜數(shù)據(jù)采集。

當(dāng)然，好馬配好鞍，高光譜成像，就得用好的設(shè)備。

高光譜相機(jī)：賽斯拜克SINESPEC SP130M

高光譜相機(jī)（線掃描） SPX系列光譜范圍：400-1700nm 光譜波段：256-1200 光譜分辨率：2.5nm-6nm 狹縫寬度：25-30um

SineSpec?SPX系列高光譜相機(jī)包含可見光（400-700nm）、近紅外（400-1000nm）和短波近紅外（900-1700nm）3種光譜區(qū)域，特點(diǎn)：范圍廣采集速度快。廣泛應(yīng)用于印刷，紡織等各種工業(yè)制品的表面顏色紋理檢測（顏色測量單像素重復(fù)性可達(dá)dE*ab<0.1），成分識(shí)別，物質(zhì)鑒別，機(jī)器視覺，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等領(lǐng)域。

可見近紅外高光譜相機(jī)SP130M技術(shù)參數(shù)