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sinespec带你走进—高光谱学

发布时间:2023-09-11
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高光谱学(及其相关技术,多光谱学和超光谱学)的用武之地,其基本思想是:鉴于物体实际上发射全光谱的光,其中大部分我们看不到,是否有可能“识别”“仅仅通过观察这个光谱就能看到那个物体?

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人看到的只是物体发出的光的一小部分

高光谱学(及其相关技术,多光谱学和超光谱学)的用武之地,其基本思想是:鉴于物体实际上发射全光谱的光,其中大部分我们看不到,是否有可能“识别”“仅仅通过观察这个光谱就能看到那个物体?另一种说法是,如果我们从很远的地方观看每个物体,那么它可能看起来非常相似。然而,如果我们更深入地研究它发出的全波长光谱,可能会发现一些明显的差异。

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每种颜色代表一种不同的“种类”,注意,这些不同波长下的光量存在巨大差异,那么这到底是如何运作的呢?我们如何将简单的图片变成下面这个复杂的光谱“指纹图?


用光谱法分裂光

答案是使用一种称为光谱学的技术,这种方法已经在物理和化学领域使用了数十年,通常用于了解复杂分子中存在的电键类型,尚光谱学基本上采用了这个想法,并将其应用于更远距离的图像,例如从飞机或相机拍摄的图像。


这个想法基本上与棱镜将白光分离为其组成视觉频率的想法相同,在这种情况下,一束白光照射到棱镜上,以不同角度衍射,并以美丽的彩虹色从棱镜射出,这是因为白光是可见光谱中所有波长的组合,并目每种波长的衍射角度都略有不同。

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高光谱学的工作原理相同,只是它使用的技术可以捕获整个电磁光谱范围,而不仅仅是可见光,最流行的方法之一是使用衍射光栅技术,该技术使光穿过只允许某些波长通过的微小狭。另一种方法是干涉测量法,它将光分成两束相同的光束,改变其中一束光束(例如通过衍射),然后将它们重新加在一起井分析它们相互干涉的方式。


目前这些方法的最大技巧是它们需要大的数据和处理能力才能实现,想象一下,当您拍摄高分辨率照片时,相机内存会多快被填满,现在,请记住,可见光仅占所有光波的一小部分,如果您要拍摄每个像素捕获全光谱的照片,那么每张照片的大小很快就会达到数百兆字节,因此,构成高光谱图像的数据通常被视为三维“图像立方体”,其中两个轴对应于空间中的点,第三个轴是给定点的光谱值的全范围。

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这项技术的应用是巨大的——基本上,任何反射或发射光的物体(基本上是地球上的每个物体)都可以通过高光谱成像进行“指纹识别”,这意味着我们可以仅使用从图像中收集的光谱来识别矿物、建筑物,甚至是人。


从本质上讲,高光谱成像是为了认识到外面的信息比我们直观掌握或看到的要多得多,作为一种科学技术,它能够通过巧妙地使用光学和功能强大的计算机来梳理隐藏的信息。其结果是一种方法,使我们能够比我们的眼睛更深入地探索光学世界,并在此过程中发现迄今为止科学未知的物理物体的独特属性。


这是科学独创性的例子,并提醒我们存在于我们周围的隐藏世界——肉眼看不见,但通过科学的镜头被照亮。

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