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高光谱成像技术的原理是怎么样的?按照分光原理不同可分为哪些类型?

发布时间:2023-08-04
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高光谱成像技术是光谱成像技术的一种,它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,高光谱成像技术的原理是怎么样的?按照分光原理不同可分为哪些类型?

高光谱成像技术是光谱成像技术的一种,它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,高光谱成像技术的原理是怎么样的?按照分光原理不同可分为哪些类型?

高光谱成像仪

高光谱成像技术的原理:

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

高光谱成像技术根据分光原理不同的分类:

根据分光原理的不同,可将高光谱成像技术分为色散型、干涉型、计算层析型等几种类型。

1)色散型高光谱成像技

色散型高光谱成像技术主要包括色散棱镜型、衍射光栅型以及声光、液晶可调谐滤光片型(AOTF)等高光谱成像技术。色散型高光谱成像技术利用光栅、棱镜等色散元件将经准直透镜准直后的光线色散成连续分布的单色光,光线经聚焦会聚于探测元件上,最终得到每一个像元的强度。该技术出现较早,又其原理结构简单,性能稳定,因此发展比较成熟。但是该系统内部狭缝的存在导致光谱分辨率、能量利用率以及信噪比很难提高成为制约该技术继续发展的瓶颈问题。

2)干涉型高光谱成像技

干涉型高光谱成像技术也称傅立叶变换型高光谱成像技术,主要包括傅里叶变换型(迈克尔逊干涉型、三角共路干涉型、双折射偏振干涉型)、液晶可调谐滤光片型(LCTF)等高光谱成像技术。干涉型高光谱成像技术将获取的干涉强度信息通过傅里叶变换转换成目标的光谱信息,是间接光谱成像技术。干涉型的高光谱成像仪较上述色散型高光谱成像仪具有多通道、高通量、高光谱分辨率、高信噪比等优点。

3)计算层析型高光谱成像技术

计算层析型高光谱成像技术是随着计算机技术、探测器水平以及医学上断层扫描技术的发展而出现的一种新兴技术,目前还处于理论及方法研究阶段。该技术将计算机断层扫描技术应用于高光谱成像技术中,将目标图像的数据立方体视作三维,物体,沿着一个或者多个方向投影到探测器上,再根据数据立方体与获得的投影图像之间的关系,选择合适的重建算法重构出目标的三维数据立方体。其显著的优点是其具有全视场性,不仅能够保证较高的光通量及光能利用率,而且能够快速精确的获取目标物体的二维空间信息和一维光谱信息。

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