高光谱成像技术的组成及原理介绍

高光谱成像技术作为一种无损检测技术，它将图像分析和光谱分析有机结合起来，图像信息可以表现出样品的外部品质和特征，光谱信息则可以用来检测样品的内部品质，样品的内外部品质信息可以完全反映出来，实现对样品内外品质的快速、无损检测。本文对高光谱成像技术的组成及原理作了介绍，对此感兴趣的朋友可以了解一下！

高光谱成像技术的组成：

高光谱成像系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要包括传感器光学模块、光源模块、采样模块以及光谱数据采集平台。

传感器光学模块由CCD阵列探测器、成像光谱仪和物镜组成。成像光谱仪包括光栅型成像光谱仪和干涉型成像光谱仪两种形式。其中，干涉型成像光谱仪由于需要极高的光学设计和装校精度，因此现阶段主要以光栅型成像光谱仪为主。光栅型成像光谱仪可分为透射光栅和衍射光栅两种。CCD阵列探测器可分为线阵探测器和面阵探测器：线阵探测器经过一次曝光获得一维图像；面阵探测器经过一次曝光可获得二维图像，但价格较高。

光源模块主要包括高功率卤钨灯线光源、电源控制以及光纤部分。

采样部分包括可调速步进电机和X-Z移动载物平台。

常用软件有图像采集软件和分析处理软件。

高光谱成像技术的原理：

高光谱是利用很多窄的电磁波波段获取物体有关数据的技术，它可在电磁波的紫外、可见光、近红外、中红外以至热红外区域，获取许多非常窄且光谱连续的图像数据，为每个像元提供数十至数百个窄波段（通常波段宽度<10nm）光谱信息，能产生一条完整而连续的光谱曲线。高光谱具有多波段、高分辨率和图谱合一的特点，把二维图像和光谱技术融为一体。

高光谱图像可以用“三维数据块”来形象地描述，其中x和y表示二维平面像素信息坐标轴，第三维（λ轴）是波长信息坐标轴。高光谱图像集样本的图像信息与光谱信息于一身。图像信息可以反映样本的大小、形状、缺陷等外部品质特征，由于成分不同对光谱吸收也不同，在某个特定波长下图像对某个缺陷会有较显著的反映，而光谱信息能充分反映样品内部的物理结构、化学成分的差异。这些特点决定了高光谱图像技术在样品内外部品质的检测方面的独特优势。

高光谱图像数据的特点：

1.高光谱分辨率

通常的多光谱遥感器的专题制图仪传感器和地球观测系统的高分辨率可见光传感器只有几个波段，其光谱分辨率一般大于100nm。高光谱成像光谱仪能获得整个可见光、近红外、短波红外、热红外波段的多而窄的连续光谱，波段数多至几十甚至数百个，光谱分辨率可达纳米级。

2.图谱合一

高光谱图像获取表图像包含了丰富的空间和光谱信息，在可见光和反射红外区，其光谱分辨率通常在100nm量级。而成像光谱仪的光谱波段较多，一般是几十个或者几百个，有的甚至高达上千个，而且这些光谱波段在成像范围内都是连续成像。因此，成像光谱仪能够获得地物在一定范围内连续的、精细的光谱曲线。

3.数据冗余度大

高光谱成像光谱仪虽然光谱波段多，光谱曲线连续且精细，但是同时也存在它不足的一面，其采样间距一般都在纳米级，造成了相邻波段的高度的相关性，冗余度也随之增加。

4.信噪比低

高光谱数据信噪比较低。随着波段数目的增加，噪声增加。然而，高光谱特征和分类研究中主要存在以下两个难点：一是高维使得计算速度受到很大影响，训练样本的不足也会导致不好的分类结果；二是波段间的强相关性增加了冗余性，如果不能有效处理，会对结果产生一定的影响。