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高光谱成像:让不可见变得可见

发布时间:2023-04-07
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什么是高光谱成像?从广义上讲,高光谱成像是指收集和处理包含大量不同波长光的图像,包括电磁光谱的可见光区和不可见光区。

什么是高光谱成像?

从广义上讲,高光谱成像是指收集和处理包含大量不同波长光的图像,包括电磁光谱的可见光区和不可见光区。每种不同的材料(从岩石和化学化合物到植被和人体组织)通常具有轻微不同的光谱特征,称为光谱“指纹”。因此,光谱图像分析可以通过肉眼显示我们周围世界无法区分的信息。

更准确地说,该技术被称为光谱成像或光谱分析,美国国家航空航天局(NASA)作为机载成像光谱仪,它在20世纪80年代得到了改进(AIS)计划的一部分。该技术的早期测试是利用飞机飞越美国内华达州收集的数据分析岩层。

视觉成像系统(如相机)可以在三个波段(红、蓝、绿)中捕获和评估图像,而多光谱成像系统可以测量RGB波段和近红外线(NIR)波段。相比之下,高光谱成像系统采集的图像涵盖了更广泛的波长光谱,可以细分为几十个甚至几百个波段。

例如,2007年,美国地质勘探局(USGS)阿富汗收集了大量的高光谱数据来生成详细的地表矿物分布图。通过整合“连续28次飞行收集的数据,并在仪器中使用4个不同的模块,以覆盖0.43至2.48微米的光谱范围(430纳米至2480纳米),他们可以识别和绘制31种不同类型的矿物。这些图像处理了128个色带,每个色带宽度为14-20纳米。”

阿富汗矿床图,由美国地质勘探局(USGS)收集的高光谱图像数据编制而成。(图片来源:USGS)

美国地质勘探局阿富汗矿床图(USGS)编制收集的高光谱图像数据。(图片来源:USGS)

和任何数码相机一样,高光谱成像系统依靠传感器收集信息,通常首选更高分辨率的传感器来收集每个像素的更多数据。通常,进入高光谱成像系统的光会被引导通过狭缝,然后用衍射光栅将其分离成不同的波长。

标准高光谱成像相机工作原理示意图。光线从左侧进入,通过入口狭缝聚焦,然后通过衍射光栅引导,以分离不同波长的光线,然后进行聚焦,并由传感器(检测器阵列)进行采集。

标准高光谱成像相机工作原理示意图。光线从左侧进入,通过入口狭缝聚焦,然后通过衍射光栅分离不同波长的光,然后聚焦,并由传感器(探测器阵列)收集。

我们可以使用不同的技术扫描一个区域来收集图像,包括空间扫描、光谱扫描、非扫描和空间光谱扫描。每种扫描方法略不同于上述示意图,并产生不同的输出结果。

例如,空间扫描通常包括棱镜,而光谱扫描可以使用光学带过滤器。如今,许多高光谱成像系统至少提供100个光谱波段,并具有1-5nm等不同应用的波长范围、400-1000nm等。3

高光谱成像应用

目前,高光谱成像技术广泛应用于潜在领域。在无人机技术的帮助下,成像系统现在比以往任何时候都更容易发送到偏远或难以到达的地区来收集信息。

事实上,高光谱遥感系统已被用于探索“星载、机载和基础传感、无人机系统和水下航行器”。应用领域包括农业、天文学、生物医学成像、环境监测、食品加工、地质学、矿物学、分子生物学、物理学和监测。以下是不同行业的一些例子:

农业:飞机收集的高光谱数据可用于分析作物,以表示生长、分子组成、水位、杂草入侵等。

食品加工:高光谱成像系统可以评估水果和其他食品,以识别任何质量问题,如瘀伤、腐烂斑点;肉类等级、细脂肪线、颜色和纹理;以及从壳体碎片和任何异物颗粒中分类的坚果。

环境:高光谱成像系统可以轻松检测湖泊和河流中大量繁殖的藻类或污染,准确识别水或湿地中磷酸盐、硝酸盐等化学物质的含量。

矿山和化石燃料:高光谱成像系统可以准确定位矿床并对其进行分级,从而大大提高勘探钻井的准确性。此外,还可用于识别和评估石油泄漏。

医学诊断:现代医疗保健和疾病治疗在很大程度上依赖于先进的成像技术,如MRI、CT和PET扫描,以评估骨骼、组织、器官和其他内部结构。高光谱成像技术可以重要地补充这些工具包,通常可以获得临床环境中患者组织形态(形状和结构)和生化特征的高分辨率图像,具有更高的成本效益、更安全、更容易使用。

薄膜检测:如今,薄膜是许多行业的重要材料,广泛应用于储存食品的保鲜膜和TFT半导体的高档薄膜。高光谱成像系统可以通过将光线投射到薄膜上并测量光谱干扰来测量薄膜,以保证厚度的均匀性。

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