高光谱成像仪的原理及光谱图像数据采集方式

高光谱成像仪作为精密的光学仪器，它可以对成百上千个连续单一波长光信号逐一进行拍照，再将所有波长下的图像直接融合组成样品光谱图像，对样本进行定性与定量的分析。本文对高光谱成像仪的原理及光谱图像数据采集方式做了介绍。

高光谱成像仪器的原理：

高光谱成像仪是高光谱成像分析系统的核心部件，由成像光谱仪与CCD探测器完美结合而成，可高效快速获取被测物的光谱和影像信息。在样品图像采集时，高光谱成像仪接收被测物体表面反射和透射光在X轴上进行分光、在Y轴上进行成像，获得一维影像和光谱信息。由于样品的连续移动，从而能够得到连续的一维影像以及光谱信息，所有的数据被计算机图谱采集平台采集。将所有窄波段的图像和光谱信息进行融合，最后得到了整个样品的光谱图像。

根据不同的使用波段，可分为可见光波段（300～800nm）、可见-近红外波段（400～1000nm）、近红外波段（900～1700nm）和短波红外波段（1000～2500nm）4个光谱波段。高光谱图像采集可以通过摆扫型成像、推扫型成像和凝视型成像3种方式实现：摆扫型成像光谱仪由光机左右摆扫和载物平台向前运动完成二维空间成像，线列探测器完成每个瞬时视场像元的光谱维获取。推扫型成像光谱仪采用一个面阵探测器，其垂直于运动方向在载物平台向前运动中完成二维空间扫描；平行于平台运动方向，通过光栅和棱镜分光，完成光谱维扫描。凝视型成像光谱仪保持图像区域固定不变，通过可调谐滤光片获取不同波段的图像。3种方式最终都得到三维图像数据块，如下图所示。

高光谱成像仪光谱图像数据采集方式：

根据高光谱图像采集和形成方式的不同，高光谱图像的获取方式可以分为点扫描、线扫描和面扫描三种方式。三种扫描方式的示意图如图所示。

点扫描方式图（a）每次只能获取一个像素点的光谱，为获取高光谱图像频繁的移动光谱相机或检测对象，不利于快速检测，因此点扫描方式常用于微观对象的检测。

线扫描方式（b）每次可以获取扫描线上所有点的光谱，因此该方式特别适合于传送带上方的物体的动态检测，因此该方式是水果和蔬菜品质检测时最为常用的图像获取方式。点扫描和线扫描方式是在空间域进行扫描的方式，不同于点扫描和线扫描方式，面扫描是在光谱域进行扫描的方式。

面扫描方式（c）每次可以获取单个波长下完整的空间图像，通过面扫描获取高光谱图像时需要转动滤光片切换轮或调节可调滤波器，因此面扫描方式一般用于所需波长图像数目较少的多光谱成像系统中。

根据光源和光谱相机之间的位置关系不同，高光谱图像的获取方式又可以分为反射、透射和漫透射三种方式。三种高光谱图像获取方式如下图所示。

三种不同的获取方式反映了光和检测对象之间的作用关系，经过不同形式作用后的光承载了丰富的内部和外部信息，根据这些信息便可以对样品进行快速无损检测。