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高光谱是如何成像的?

发布时间:2023-11-06
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高光谱成像指的是先进的光谱成像技术,在这种技术中,人们可以为每个图像像素获得一个完整的光学光谱。

高光谱成像指的是先进的光谱成像技术,在这种技术中,人们可以为每个图像像素获得一个完整的光学光谱。与典型的多光谱成像相比,人们采用了大量不同的波长通道(例如数百或数千个),这些通道在波长或光频方面通常或多或少是等距的,基本上是不重叠的,并且覆盖了大量的连续光谱范围。由此产生的数据可被视为形成一个高光谱立方体,即一个具有x、y和λ(波长)坐标的三维数据集--见图1。


图片描述

图1:高光谱成像的数据可以表示为一个具有坐标x、y和λ的高光谱立方体。

每个波长通道提供一个单色的二维图像,而人们有一个光学光谱对应于这样一个图像的每个点。

与多光谱成像相比,人们通常有大量的波长通道。另一方面,多光谱成像仪可以覆盖更大的光谱范围,例如甚至包括用于热成像的很长的红外波长--这很难用类似于通常用于高光谱成像仪的图像传感器来实现。

对于附近物体的高光谱成像,人们可能希望应用光谱控制的照明,避免可变环境光的影响。或者,人们可以采用校准程序,例如,可以基于参考物体的图像。


高光谱成像仪的操作原理


对于在图像传感器中每个波长通道使用一种类型的光电探测器来说,实现的波长通道数量通常太大。因此,通常使用其他技术。


点式扫描


一种可能性是采用某种光谱仪与二维扫描成像设备(拂尘扫描仪)相结合。在任何特定的时间,人们接收来自某个方向的光,并记录一个光学光谱。例如,我们可以使用一种简单的光谱仪,在一个一维光电二极管阵列前有一个衍射光栅。


一个完整的高光谱图像需要对所有图像方向进行二维扫描,通常需要大量的采集时间。而且,对入射光的利用效率很低,很容易出现运动伪影。

尽管该方法允许人们使用相当传统的光谱仪,但由于上述限制和需要扫描光学器件(通常有机械部件),它并不经常使用。


线状扫描


线扫描是高光谱成像中最经常使用的图像采集技术。它意味着在任何时间点上,人们都要获取一条线的图像信息(推扫式扫描仪)。选择一条线通常是通过在一个图像平面上放置一个光学狭缝来完成的。此外,人们使用一个衍射光栅或其他色散光学元件,在垂直于狭缝的方向上对不同的波长成分进行空间分离。然后光可以被送到一个二维图像传感器(焦平面阵列),其中一个方向对应空间坐标,另一个方向对应波长。人们可以使用可交换的光栅,以不同的光谱分辨率覆盖不同的光谱区域。


一幅图像的完成需要多个这样的记录,所述狭缝的方向不同,或整个成像仪器,或被成像物体的方向不同。例如,飞机或太空卫星上的仪器自然是在一个方向上移动,这个方向应该是与图像线的方向垂直的。同样地,人们可以对正在移动的物体进行成像,例如沿着工厂的传送带。在其他情况下,需要一个移动的镜子或其他种类的扫描光学器件来进行观察方向的一维扫描。


与点扫描相比,图像采集的速度要快得多,而且运动伪影的倾向也会减少。所需的焦平面阵列类型相当简单;它只需要在感兴趣的整个波长范围内表现出足够高的响应性。响应性的波长依赖性可以在设备校准中得到考虑。


然而,输入光的使用并不十分有效,因为在同一时间只能利用与一条线相对应的光。


光谱扫描


人们可以通过将一个可调谐的光学带通滤波器集成到一个相机中来实现高光谱成像。然后一次记录一个波段的图像,并将许多这样的记录的数据合并为一个高光谱立方体。尽管所有图像方向的光都可以随时利用,但人们在任何时候都只使用一个小的光谱槽,因此光的使用效率和线扫描一样低。另外,要实现高光谱分辨率的可调谐带通滤波器并不容易。


另外,人们可以使用波长可调的照明,例如使用光参量振荡器。每张图像的曝光是针对一个波长的,不同波长的多次曝光可以提供一个高光谱图像。


光谱扫描的一个核心优势是可以使用传统的成像仪器。例如,人们可以在显微镜上配备一个合适的滤光片来进行高光谱显微镜检查。


光谱扫描的另一个优点是能够以任意的顺序记录不同波长通道的图像。换句话说,人们不必每次都记录一个完整的高光谱立方体,而是可以根据具体的成像目的和情况来选择波段。例如,人们可以定期只用一组有限的波长进行操作,只有在某些情况下,如检测到某些有趣的物体时,才用不同的波长获取图像。


空间光谱扫描


空间光谱扫描是空间和光谱扫描之间的一种混合,用一个二维图像传感器进行的每一次记录都代表了高光谱立方体的一个对角线切片。虽然传感器上的一个空间坐标简单地对应于一个空间坐标,但第二个坐标是波长编码的。要完成高光谱立方体,需要在一个维度上进行扫描。


快照成像


特别是在天文学的应用中,有效利用入射光线是至关重要的。因此,通过使用某种快照成像来避免任何空间或光谱扫描是非常可取的。为了达到这样的目的,已经开发了大量不同的技术方法,并且所有这些方法都导致了相对复杂和昂贵的技术设置。


仅举一例,人们可以对一个光纤束的输入端进行成像,该光纤束的输出光纤是沿着一条线排列的。(也有其他的光学安排可以做这样的图像切片。)然后人们可以在垂直于线的方向上分散不同的波长成分,并将光送到一个二维图像传感器,如果需要大量的像素,也可以送到多个传感器。从这个意义上说,其操作原理与上面解释的线扫描器相当相似。然而,人们可以一次性处理一个完整的图像。为了有效地收集光线,必须有一个具有高数值孔径的光纤束和高面积比的光纤芯。


虽然所解释的方法需要复杂的光学元件,但它能很自然地提供高光谱立方体数据。其他方法已经被开发出来,其中需要采用复杂的数据处理算法来获得这些数据。


数据处理和显示


高光谱成像通常会产生大量的数据--在没有额外的仪器功能的情况下,人类观察者所能捕捉到的数据就很少了。为了查看这些数据,人们可以采用不同的技术。

一个简单的方法是为可变波长通道显示单色图像,例如,人们可以用转盘来拨动这些图像。


人们可以应用假色标,但由于显示器和观察者眼睛的限制,假色标永远无法显示图像的全部光谱内容。然而,人们可以应用更多或更少的复杂处理技术,例如,从光学光谱中提取化学信息。然后,色标显示化学而不是光谱信息。


在许多情况下,获得的图像数据并不经常用于观看,而是用于自动处理。


高光谱成像的应用


下面将解释高光谱成像的一些应用实例。

卫星上的高光谱仪器被用于从空间进行各种地球监测,例如地质调查、环境监测和军事监视。各种波长的通道可用于监测植被(如农作物),而其他波长的通道则可用于探测矿物、建筑物等。

地球上较小的区域可以用飞机和无人机上的仪器进行监测,这样可以提高空间分辨率。其目的可能与卫星仪器类似,例如监测农作物或竞争植物的发展。

基于空间卫星、飞机或地面的军事仪器可用于探测和跟踪飞机和导弹。


在农产品的质量控制方面,高光谱成像可以相当精确地识别有问题的产品或外来物质,如变质的坚果或石头。成像设备可以与计算机结合,进行复杂的数据处理,并由执行器去除不需要的物体;这种数字食品分拣机的效率远远高于使用人力。


在天文学中,高光谱成像通常被称为三维光谱学或积分场光谱学(IFS)。例如,详细的光谱信息对于恒星的分类往往至关重要。人们大多使用复杂的技术进行快照成像,以便最有效地利用入射光。对古代艺术品的调查可以从详细的光谱信息中获益,例如,它可以揭示某些材料的使用。

一般来说,高光谱而不仅仅是多光谱数据对获得各种类型物体的更具体信息是有益的。例如,来自不同植物的花朵对人眼来说可能是非常相似的颜色,但通过高光谱数据可以清楚地分辨出来,因为高光谱分辨率要高得多。

本文标签: 高光谱如何成像
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