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高光谱成像技术的成像原理及特点介绍

发布时间:2024-04-19
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高光谱成像技术作为一种先进的检测技术,在对样本进行检测时,不仅可以获得图像信息,还可以获得光谱信息,通过图像信息和光谱信息的结合,对样本进行定性与定量的分析。本文对高光谱成像技术的成像原理及特点做了介绍。

高光谱成像技术作为一种先进的检测技术,在对样本进行检测时,不仅可以获得图像信息,还可以获得光谱信息,通过图像信息和光谱信息的结合,对样本进行定性与定量的分析。本文对高光谱成像技术的成像原理及特点做了介绍。

高光谱成像仪

高光谱成像技术的简介:

光谱成像技术是20世纪80年代发展起来的是技术,起初主要用于空间遥感领域。随着光谱成像技术快速发展,该技术被广泛应用于军事侦察、航空航天、地理资源勘测和环境监测等领域。20世纪90年代末,光谱成像技术被应用农产品无损检测领域,并得到快速发展。光谱成像技术综合了光学、光电子学、电子学、信息处理、计算机科学等领域的先进技术,把传统的二维成像技术和光谱技术有机的结合在一起的新技术。随着科学技术的发展,成像光谱分辨力的精确度越来越高,根据分辨力的不同可将光谱成像技术分成三类:

1.多光谱成像技术:光谱分辨力在10-1λ数量级范围内,传感器在可见-近红外光谱区域只有几个波段。

2.高光谱成像技术:光谱分辨力在10-2λ数量级范围内,传感器在可见-近红外光谱区域就有几十到数百个波段。

3.超光谱成像技术:光谱分辨力在10-3λ数量级范围内,传感器在可见-近红外光谱区域就就包含数千个波段。


高光谱成像技术的成像原理:

高光谱图是一系列波长范围内的图像,根据光源的不同,光谱范围可分为200——400nm(紫外)、400——760nm(可见光)、760——2560nm(近红外)以及波长大于2560nm的区域。高光谱成像比多光谱具有较高的光谱分辨力,精确度通常可达到2-3nm。高光谱图像数据是三维的,有时称为图像块,如图所示。其中x、y是二维图像像素坐标信息,λ是第三维波长信息。

高光谱数据立方体

高光谱成像系统在扫描过程中,摄像头接受从物体表面反射或透射来的光,通过CCD探测器把光信号转换成电信号。图像采集卡把CCD得到的模拟信号转换成数字信号,通过计算机显示出来。单色仪用来获得特定波长的光,单色仪分为滤波片(滤波器)利图像光谱仪两种,因此根据单色仪的不同可把高光谱系统分为两种不同的高光谱系统。第一种是基于滤波片(滤波器)高光谱成像系统,这种方法通过连续采集一系列波段条件下样品的二维图像,即在每个特定波长λi(i=1、2、3……n;n为正整数)得到一幅二维图像(横坐标为x,纵坐标为y),从而得到三维高光谱图像块。第二种是基于成像光谱仪的高光谱成像系统,该系统采用“扫帚式”成像方法得到高光谱图像;线列或面阵探测器在光学焦面的垂直方向作横向排列完横向扫描(x轴向),获取对象条状空间中每个像素在各个波长λi(i=1、2、3……n;n为正整数)下的图像信息;同时在检测系统输送带前进过程中,排列的探测器如同刷子扫地一样扫出一条带状轨迹从而完成纵向扫描(y轴向)。综合横纵扫描信息就可得到样品的三维高光谱图像数据。


高光谱成像技术的特点:

高光谱成像技术融合光学、电子学、信息处理以及计算机科学,把传统二维成像技术和光谱技术有机地结合在一起而形成的先进技术,具有很多优异的特点。

1.连续的多波段

成像光谱仪在可见光和近红外光谱区内有数十甚至数百个波段。与传统的遥感相比,高光谱成像仪为每个成像象元提供很窄的(一般<10nm)成像波段,波段数与多光谱遥感相比大大增加,在可见光和近红外波段可达几十到几百个,且在某个光谱区间是连续分布的,这不只是简单的数量的增加,而是有关物体光谱空间信息量的增加。

2.光谱响应范围广,光谱分辨率高

成像光谱仪响应的电磁波长从可见光延伸到近红外,甚至到中红外。成像光谱仪采样间隔小,光谱分辨达到纳米级。

3.光谱信息与图像信息有机结合,即“光谱图像合一”

在高光谱影像数据中,每一象元对应一条光谱曲线,整个数据是光谱影像的立方体,具有空间图象维和光谱维。

4.数据量大,信息冗余多

高光谱数据的波段众多,其数据量巨大,而且波段之间相关性大,从而增加了信息的冗余度。

5.数据描述模型多,分析灵活

高光谱影像通常有三种描述模型:图像模型、光谱模型与特征模型。

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