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高光谱成像系统的硬件由哪些部件构成?

发布时间:2023-09-22
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高光谱成像技术由硬件和软件两部分组成,其中硬件的主要功能为光谱数据的获取,软件的主要功能为光谱数据的分析。硬件主要由光源、分光部件、CCD、图像采集系统和计算机等部分组成。本文对个硬件的要求做了详细的介绍,对此感兴趣的朋友可以了解一下!

高光谱成像技术由硬件和软件两部分组成,其中硬件的主要功能为光谱数据的获取,软件的主要功能为光谱数据的分析。硬件主要由光源、分光部件、CCD、图像采集系统和计算机等部分组成。本文对个硬件的要求做了详细的介绍,对此感兴趣的朋友可以了解一下!

高光谱成像系统

高光谱成像系统硬件组成部分主要包括光源、探头和数据处理机(计算机),如下图,被检测样本放置于移动平台上,在光源照射下图像与光谱的数据信息由探头采集至计算机中,各类样本有较为适用的硬件种类和采集形式。

高光谱成像系统结构示意图

1.光源与探头

光源与探头是高光谱成像系统中易影响检测结果的两部分。

(1)光源

包括卤素灯、发光二极管(LED)、激光和可调光源,各类光源属性如下。

①卤素灯:(1)光源特性:白炽灯的发光原理;(2)优点:工作电压低、反射率高;(3)缺点:寿命短、温度高、谱峰易产生偏差;(4)应用范围:可用于检测食品表面与内部波段范围:340~800nm。

②发光二极管(LED):(1)光源特性:半导体光源;(2)优点:体积小、成本低、响应迅速、节能、光线可以自由排布;(3)缺点:抗电压波动能力差、发光强度偏低;(4)应用范围:波段范围:紫外到短波近红外——400~1100nm。

③激光:(1)光源特性:单色光源;(2)优点:方向性强、相干性小;(3)缺点:带宽幅度窄;(4)应用范围:不同颜色激光有其特定波长,主要检测食品质量细微变化。

④可调光源:(1)光源特性:调节光源的带宽和波长;(2)优点:被检测样本的损伤小;(3)缺点:受保护性差;(4)应用范围:用于区域扫描波段范围:0~1600nm。

(2)探头

由镜头、成像光谱仪和光电转模块组成,它逐个记录各个特征波段下的图像和光谱,完成光电信号的转换。成像光谱仪中的滤轮和可调滤波器决定了不同波段光谱和图像的获取,是高光谱“三维”图像的根源。光电转换元件分为电荷耦合元件(CCD)和互补金属氧化物半导 体(CMOS)两种,它们都由数以百万计的光电二极管紧密排列组成,入射光子通过光电二极管完成了光电信号的转换,相比于 CCD,CMOS的敏感度较低,被检测信号容易产生更大的噪声和灰度,但它成本低廉,更容易投入市场,在流水线的检测中占据主流。


2.扫描形式

高光谱成像扫描形式分为点扫描、线扫描、区域扫描和点散扫描,它们的工作形式和硬件要求如下:

①点扫描:

(1)工作形式:全波段逐个记录图像中每个像素点的光谱信息;

(2)性能特点:全面的反映光谱信息,耗时长,适用于精确分析;

(3)硬件要求:后台CPU计算能力强大。

②线扫描:

(1)工作形式:以行为单位全波段的记录光谱信息,是一种带状推扫模式;

(2)性能特点:最常用的扫描形式,适用于流水线上检测;

(3)硬件要求:感应元件曝光时间短。

③区域扫描:

(1)工作形式:每次获取一个区域平面单个波段的光谱信息;

(2)性能特点:被检测物体只能是静止状态;

(3)硬件要求:感应元件曝光时间短。

④点散扫描:

(1)工作形式:从某点发散获取图像与波长的全信息;

(2)性能特点:简单高效,未广泛应用;

(3)硬件要求:大面积的探头。


3.感应模式

高光谱成像系统中的感应模式分为漫反射(散射)、反射和透射。漫反射模式下光源与探头有一定的角度,可以避免反射光带来的干扰,通常用来检测样本的大小、形状、颜色、表面纹理和外部缺陷。相比于漫反射,反射(镜面反射)可以更深层次的挖掘样本的内部信息,但也要防止反射光源的干扰。透射模式的光源位于探头对面,获取样本透射光带来的内部信息。透射模式通常用来检测物体内部组织结构和缺陷,被检测对象要相对透明。

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