高光谱成像扫描技术有哪些?

高光谱成像获取高光谱立方体的三维 ( x , y , λ ) 数据集有四种基本技术。技术的选择取决于具体的应用，因为每种技术都有上下文相关的优点和缺点。

照片展示了四种高光谱成像技术的各个传感器输出。从左到右：狭缝光谱;单色空间图;高光谱立方体的“透视投影”;波长编码空间图

空间扫描

在空间扫描中，每个二维 (2-D) 传感器输出代表一个完整的狭缝光谱 ( x , λ )。用于空间扫描的高光谱成像 (HSI) 设备通过将场景的条带投影到狭缝上并使用棱镜或光栅分散狭缝图像来获得狭缝光谱。这些系统的缺点是按行分析图像(使用推扫式扫描仪)，并且还有一些机械部件集成到光学系统中。使用这些线扫描相机，通过平台移动或扫描收集空间维度。这需要稳定的支架或准确的指向信息来“重建”图像。尽管如此，线扫描系统在遥感中特别常见，使用移动平台是明智的。线扫描系统还用于扫描传送带上移动的材料。线扫描的一个特例是点扫描(使用扫帚扫描仪)，其中使用点状孔径而不是狭缝，并且传感器本质上是一维的而不是二维的。

高光谱成像的采集技术，可视化为具有两个空间维度 (x,y) 和一个光谱维度 (lambda) 的高光谱数据立方体的部分

光谱扫描

在光谱扫描中，每个二维传感器输出代表场景的单色(“单色”)空间(x，y )地图。用于光谱扫描的 HSI 设备通常基于光学带通滤波器(可调或固定)。在平台保持静止的情况下，通过一个接一个地交换过滤器来对场景进行光谱扫描。在这种“凝视”波长扫描系统中，如果场景中有运动，就会发生光谱拖尾，从而使光谱相关/检测无效。尽管如此，还是有一个优点，即能够挑选和选择光谱带，并直接表示场景的两个空间维度。如果成像系统用在移动平台上，例如飞机，不同波长的采集图像对应于场景的不同区域。每个图像上的空间特征可用于重新对齐像素。

非扫描

在非扫描中，单个二维传感器输出包含所有空间 ( x , y ) 和光谱 ( λ ) 数据。用于非扫描的 HSI 设备立即生成完整的数据立方体，无需任何扫描。形象地说，单个快照代表数据立方体的透视投影，从中可以重建其三维结构。这些快照高光谱成像系统最突出的优势是快照优势(更高的光通量)和更短的采集时间。已经设计了许多系统，包括计算机断层扫描成像光谱仪(CTIS)、纤维重新格式化成像光谱仪(FRIS)、小透镜阵列积分场光谱仪(IFS-L)、多孔径积分场光谱仪 (Hyperpixel Array)、图像切片镜积分场光谱仪(IFS-S)、图像复制成像光谱仪 (IRIS)、滤光片叠加光谱分解 ( FSSD)、编码孔径快照光谱成像(CASSI)、图像映射光谱法(IMS)和多光谱萨格纳克干涉法(MSI)。然而，计算工作量和制造成本都很高。为了减少非扫描高光谱仪器的计算需求和潜在的高成本，已经展示了基于多元光学计算的原型设备。这些设备已基于多元光学元件光谱计算引擎或空间光调制器光谱计算引擎。在这些平台中，化学信息在成像之前在光学域中计算，因此化学图像依赖于传统的相机系统，无需进一步计算。作为这些系统的缺点，从未获取过光谱信息，即仅获取化学信息，因此不可能进行后处理或再分析。

空间光谱扫描

在空间光谱扫描中，每个二维传感器输出表示场景的波长编码(“彩虹色”，λ = λ ( y ))空间 ( x , y ) 地图。该技术的原型于 2014年推出，由位于基本狭缝分光镜(狭缝 + 色散元件)后面某个非零距离的相机组成。通过在空间扫描系统之前放置色散元件可以获得高级空间光谱扫描系统。可以通过相对于场景移动整个系统、单独移动相机或单独移动狭缝来实现扫描。空间光谱扫描结合了空间和光谱扫描的一些优点，从而减轻了它们的一些缺点。