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​高光谱成像技术的原理及特点介绍

发布时间:2024-02-23
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高光谱成像技术作为一种新型的无损检测技术,在对样品进行检测时,不仅可以获得样品的光谱信息,还可以获得样品的图像信息,因此,具有图谱合一的特点。本文对高光谱成像技术的原理及特点做了介绍。

高光谱成像技术作为一种新型的无损检测技术,在对样品进行检测时,不仅可以获得样品的光谱信息,还可以获得样品的图像信息,因此,具有图谱合一的特点。本文对高光谱成像技术的原理及特点做了介绍。

高光谱成像仪

高光谱成像技术的原理:

高光谱成像仪在采集待检测样本的图像数据时,每次只能采集待检测样本的一条线上的图像,并且每个光谱成分能够和线上的每个像素点对应起来。这样形成的高光谱数据,就包含了三个维度,空间轴上的二维图像信息和纵轴上的光谱信息。其成像原理图如图所示。

高光谱成像技术的原理

高光谱成像技术中成像光谱仪应用的是一个准直光学构造以及一个全息透射光栅。这种结构不仅有很高的衍射效率,而且能形成比较好的线性光谱。全息透射光栅是通过人造在两块玻璃粘板中间的DCG的上。DCG有很多有点,包括衍射效率比较高、色散比较低、多级衍射比较低以及不会产生鬼线,所以生产光学元件时很多时候都用这种材料。因为该全息光栅密封性,它可以承载很大的湿度、其温度范围可以从-20至120C并且能够承受物理撞击以及振动。经典物理学中,不同长度的光波在穿过狭缝等障碍物时,会出现不同程度的弯散,将其通过光栅并进行衍射,可以形成多条谱带。即一维信息在通过镜头和狭缝后,光会因为波长不同而发生不同程度的弯散,让一维图像上的每个点,再让每个点都通过光栅进行衍射分光,形成谱带,照射到光谱探测器上,每个像素的位置信息和强度信息分别表征光谱和强度。一个像素点对应形成的一个谱段,一条线的信息可以对应一个谱面,所以在光谱探测器上的成像可以反映出空间一维图像的光谱信息,将光谱信息进行机械推扫可以获得空间的二维图像,从而实现对平面中的图像信息和光谱信息数据采集。

入光缝隙的宽度和光谱仪的线性色散能够决定成像光谱仪的分辨率光,而光学系统的成像性能够决定最小光谱分辨率。

高光谱成像过程为:随着光谱相机扫描样本形成一条线上的图像(X轴),在此过程中,电控平台是移动的,这样探测器就能扫描出很多线状的图像(Y轴),由此就形成了一个二维的图像信息。高光谱数据包含的是一个三维的数据立方体,在X轴和Y轴方向上形成一个二维图像,在Z轴方向上是其光谱信息。


高光谱成像技术的特点:

将光谱技术和多个成像技术结合所产生的技术成为高光谱成像技术。高光谱成像技术不仅能够得到样品的光谱信息,还能够对待测样本的空间信息进一步获取。样本在全部波段下的信息可以通过每一个像素点进行获取,同样全部像素点的信息存在于高光谱的每一个波段之下。

成像光谱仪利用棱镜-光栅-棱镜(PGP)将可见-近红外光分为上千个连续窄波段,其具体的分辨率在通常情况下<10nm。连续窄波的图像信息可以通过CCD相机进行获取或捕捉,可以有效地判别样品的内外品质,可以更加准确的检测样品。虽然可以捕获样品的大量信息,但是也存在很多难题,比如:数据量比较大、冗余信息比较多、数据处理难度大等不可避免的问题。

高光谱成像技术与计算机视觉技术、近红外光谱技术相比,其主要特点是对于样本“面”信息的获得,而机器视觉技术获得的只是样本的一个图像信息,近红外获得的是样本的“点”信息,高光谱成像技术既能够获取样本的光谱信息,并且能够得到图像的信息。


高光谱成像数据的特点:

高光谱遥感具有不同于传统遥感的新特点,总结起来主要表现在:

(1)波段多。可以为每个像元提供几十、数百甚至上千个波段;

(2)光谱范围窄。波段范围一般小于10nm;

(3)波段连续。有些传感器可以在350~2500nm的太阳光谱范围内提供几乎连续的地物光谱;

(4)数据量大。随着波段数的增加,数据量成指数增加;

(5)信息冗余增加。由于相邻波段高度相关,冗余信息业相对增加。

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