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高光谱成像系统由哪些部件构成?

发布时间:2023-06-30
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高光谱成像系统由哪些部件构成?高光谱成像系统由硬件和软件两部分组成,硬件最重要的部件是传感器,还包括光源、扫描器和控制装置等。软件部分主要包括光谱预处理软件和数据采集及处理软件等。本文对高光谱成像系统构成作了介绍。

高光谱成像系统由哪些部件构成?高光谱成像系统由硬件和软件两部分组成,硬件最重要的部件是传感器,还包括光源、扫描器和控制装置等。软件部分主要包括光谱预处理软件和数据采集及处理软件等。本文对高光谱成像系统构成作了介绍。

近红外高光谱成像仪

高光谱成像系统的核心部件包括高光谱成像仪、均匀光源、电控移动平台、计算机及控制软件等,系统的基本工作流程如下:在对采集的各项参数进行校准后,待测样本在均匀卤素光源照射下,高光谱相机每次以线扫描的方式扫描一条线上所有点的光谱,得到每个像素点380-1040nm范围内的反射光谱以及一个空间维度的信息,随着电控移动平台带动样品连续运行,配合数据采集软件,最终在每个光谱波段上能够得到一副二维图像及其光谱信息。其过程如下图所示。

线扫描方式

通过特定的计算机软件记录扫描行程内的所有数据,通过软件逐行重建完整的图像,最终获得一个包含样本图像信息以及光谱信息的三维数据立方体(即高光谱图像)。

高光谱成像系统的整体结构图如下图所示,其具体硬件介绍如下:

高光谱成像系统整体结构图

1.高光谱成像仪

高光谱成像系统采用的高光谱成像仪采用的是三恩时公司SC250系列高光成像仪,主要由成像光谱仪和CMOS组成,光谱采集范围为900nm-1700nm,光谱的最小分辨率为6nm,光谱范围内共有256个波段,测定速度每个样品小于5s,像素尺寸为30um,正常运行温度为0~40℃。

高光谱成像仪每次对一条线上的目标进行成像,并分光使每个光谱成分与线阵上的一个像素点一一对应。因此,每一幅来自光谱相机的图像结构包括一个维度(空间轴)上的线阵像素和在另一个维度(光谱轴)上的光谱分布(光在光谱元素的强度)如下图所示的说明。

高光谱成像仪成像原理图

成像过程为:每次对一行像素进行成像后(X方向),获得单行像素的图像信息与光谱信息,在电控平移台的匀速拖动下,排列的探测器依次沿纵向方向(Y方向)依次曝光成像。综合横纵方向成像信息就可以得到待检测样本的的三维高光谱图像数据。


2.均匀光源

高光谱成像系统的均匀光源系统由两组共四个溴钨灯及其控制器及其支撑部件组成。溴钨灯波长范围为300nm-2500mm,光谱谱线连续且平滑分布,是一种常用的可见-近红外波段对物质进行吸收光谱和荧光光谱分析的理想光源。一旦光源调试好固定位置后,就不宜经常再做调试,实际在对不同样品进行图像采集时,可根据样品不同需求调节光源亮度,以使得采集到的图像更加明亮清晰。

在实际进行高光谱图像采集过程中,由于天气、外界灯光等会照射到待测样品而导致误差。为消除该误差,将光源系统、电控平台系统以及高光谱相机用隔光材料组成一个暗箱。将系统的各个参数调节完毕后,在采集图像过程中,应保证在暗箱环境下进行以外部光源对采集的干扰。


3.电控移动平台

电控平移台的作用是用来放置待检测采集样品,水平安装于均匀光源之间,高光谱成像仪正下方,在均匀光源的照射下,通过移动该平台,高光谱成像仪可以连续的获得平台上待检测样品的连续高光谱图像,其最大可承载的有效样品空间尺寸为300mm×300mm×200mm,最大有效行程为400nm,运行速度、扫描行程、初始位置等可根据实际需要应用软件进行调节。电控平台由载物平台、标准白板、驱动电机及其驱动电路等构成。在实际采集不同体积的样品时,因样品高度、形状等不一致,在对高光谱相机进行对焦时,需要调整标准白板的高度使得标准白板与待测样品处于同一对焦面上,否则采集到的图像就容易模糊失真。


4.计算机及数据采集软件

计算机及数据处理软件作为整个系统的灵魂,是整个系统的控制与数据处理终端。在图像采集过程中起着调节、控制运行的作用,在采集完成后,对高光谱图像进行存储以及后续数据处理操作。高光谱成像系统采集软件由卓立汉光公司提供,通过数据采集软件可以对高光谱相机曝光时间、扫描速度、最大扫描行程、图像分辨率等相关参数进行修改。此外还可以进行黑白校正、图像存储与命名高光谱图像快速查看等一些基本的分析功能。

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