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光谱成像技术根据光谱分辨率的不同可分为哪些类型?

发布时间:2023-06-16
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光谱成像技术是将传统二维成像技术和光谱技术有机结合在一起,既可以获取目标物的二维空间信息,又可以获得一维光谱信息。该技术具有空间可识别性、超多波段、高的光谱分辨率、光谱范围广和图谱合一等众多优点。那么,光谱成像技术根据光谱分辨率的不同可分为哪些类型?本文对光谱成像技术的类型及原理做了详细的介绍,感兴趣的朋友不妨了解一下!

光谱成像技术是将传统二维成像技术和光谱技术有机结合在一起,既可以获取目标物的二维空间信息,又可以获得一维光谱信息。该技术具有空间可识别性、超多波段、高的光谱分辨率、光谱范围广和图谱合一等众多优点。那么,光谱成像技术根据光谱分辨率的不同可分为哪些类型?本文对光谱成像技术的类型及原理做了详细的介绍,感兴趣的朋友不妨了解一下!

高光谱成像仪

光谱成像技术根据光谱分辨率的不同可分为哪些类型?

光谱成像技术的分类方法多种多样,根据光谱分辨率的不同,可将光谱成像技术分为多光谱成像技术、高光谱成像技术和超光谱成像技术三大类。

1.多光谱成像技术

波段数为几个或几十个,且光谱通道是不连续的;光谱分辨率在10-1λ数量级内(100nm左右),由于其光谱覆盖范围较宽,因此该类技术工作波段通常选择在目标物体辐射特性最突出的范围。该类技术适用于地带分类以及土地使用评估,如“增强型主题测绘仪”、美国陆地卫星 TM以及法国 SPOT 卫星。

2.高光谱成像技术

波段数在几百到一千之间,且多个光谱通道是连续的;光谱分辨率在10-3λ数量级内(10nm左右),即光谱覆盖范围较窄。该技术主要用于农业、森林、土地、海洋等领域,如美国的AVIRIS,该仪器的光谱分辨率为10 nm,空间分辨率为20m,所测波段为224个,光谱覆盖范围是0.4~2.5μm。

4.超光谱成像技术

波段数在1000~10000之间,且多个光谱通道是连续的;光谱分辨率在10-3λ数量级内(1nm以下),其光谱覆盖范围最窄,该技术可用于微粒及大气成分研究,如美国国家航空航天局(NASA)研制出的地球同步成像傅里叶变换光谱仪(GIFTS)。


光谱成像技术的成像原理:

光谱根据分辨率的高低可以将其分成多光谱、高光谱、超光谱三种类型,这三种类型对应的光谱分辨率分别为10-1λ以内、10-2λ以内、10-3λ以内,而高光谱图像就是由一系列连续的光波波长组成的光学图像。因此高光谱成像就是指在特定的波长范围内获得由一系列连续的窄波段图像组成的包含三维图像数据块的过程。一个典型的高光谱数据块示意图如下图所示,进行高光谱成像时,成像仪通过接收被测物体表面反射和透射光以及在X轴上进行分光,在Y轴上进行成像,从而获得包含一维光谱和二维图像的高光谱三维数据块。通常高光谱的光谱范围主要包括可见光谱区域(400~760nm)和近红外光谱区域(760~2560nm),目前其光谱分辨率可以达到2~3nm。在利用高光谱成像技术在获得样品图像的同时,还能够为图像上每个像素点提供上千个波长点的光谱信息,因此包含了样品内部丰富的成分含量信息,可以达到实现样品的成分、含量、空间分布的无损测量的目的。

典型高光谱数据块示意图

光谱成像技术的成像系统:

一个典型的高光谱成像系统主要包含硬件和软件这两部分。硬件系统包括:电荷耦合器件探测器、成像光谱仪、镜头、光源及其控制器、可调载物台、移动步进机等,而软件系统包含运动控制系统和图像采集系统两部分。通过将软硬件进行结合可以对样品信息进行快速采集,采集过程如下:首选是将样品平稳放置已调整好高光谱系统载物平台上,而后应用运动控制系统启动移动步进机,以点扫描、线扫描或者面扫描进行图像的获取,在图像采集的过程中,被测物体表面的光反射和透射信息被高光谱成像仪接收,从而获得在平面X轴、Y轴和光波长入上的三维信息,因此既包含了图像信息,也包含了光谱信息,而后将采集的图谱信息储存在计算机中,从而进行后续的数据处理和分析。

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