高光譜成像技術的成像原理及特點介紹

高光譜成像技術作為一種先進的檢測技術，在對樣本進行檢測時，不僅可以獲得圖像信息，還可以獲得光譜信息，通過圖像信息和光譜信息的結合，對樣本進行定性與定量的分析。本文對高光譜成像技術的成像原理及特點做了介紹。

高光譜成像技術的簡介：

光譜成像技術是20世紀80年代發展起來的是技術，起初主要用于空間遙感領域。隨著光譜成像技術快速發展，該技術被廣泛應用于軍事偵察、航空航天、地理資源勘測和環境監測等領域。20世紀90年代末，光譜成像技術被應用農產品無損檢測領域，并得到快速發展。光譜成像技術綜合了光學、光電子學、電子學、信息處理、計算機科學等領域的先進技術，把傳統的二維成像技術和光譜技術有機的結合在一起的新技術。隨著科學技術的發展，成像光譜分辨力的精確度越來越高，根據分辨力的不同可將光譜成像技術分成三類：

1.多光譜成像技術：光譜分辨力在10-1λ數量級范圍內，傳感器在可見-近紅外光譜區域只有幾個波段。

2.高光譜成像技術：光譜分辨力在10-2λ數量級范圍內，傳感器在可見-近紅外光譜區域就有幾十到數百個波段。

3.超光譜成像技術：光譜分辨力在10-3λ數量級范圍內，傳感器在可見-近紅外光譜區域就就包含數千個波段。

高光譜成像技術的成像原理：

高光譜圖是一系列波長范圍內的圖像，根據光源的不同，光譜范圍可分為200——400nm（紫外）、400——760nm（可見光）、760——2560nm（近紅外）以及波長大于2560nm的區域。高光譜成像比多光譜具有較高的光譜分辨力，精確度通?？蛇_到2-3nm。高光譜圖像數據是三維的，有時稱為圖像塊，如圖所示。其中x、y是二維圖像像素坐標信息，λ是第三維波長信息。

高光譜成像系統在掃描過程中，攝像頭接受從物體表面反射或透射來的光，通過CCD探測器把光信號轉換成電信號。圖像采集卡把CCD得到的模擬信號轉換成數字信號，通過計算機顯示出來。單色儀用來獲得特定波長的光，單色儀分為濾波片（濾波器）利圖像光譜儀兩種，因此根據單色儀的不同可把高光譜系統分為兩種不同的高光譜系統。第一種是基于濾波片（濾波器）高光譜成像系統，這種方法通過連續采集一系列波段條件下樣品的二維圖像，即在每個特定波長λi（i=1、2、3……n；n為正整數）得到一幅二維圖像（橫坐標為x，縱坐標為y），從而得到三維高光譜圖像塊。第二種是基于成像光譜儀的高光譜成像系統，該系統采用“掃帚式”成像方法得到高光譜圖像；線列或面陣探測器在光學焦面的垂直方向作橫向排列完橫向掃描（x軸向），獲取對象條狀空間中每個像素在各個波長λi（i=1、2、3……n；n為正整數）下的圖像信息；同時在檢測系統輸送帶前進過程中，排列的探測器如同刷子掃地一樣掃出一條帶狀軌跡從而完成縱向掃描（y軸向）。綜合橫縱掃描信息就可得到樣品的三維高光譜圖像數據。

高光譜成像技術的特點：

高光譜成像技術融合光學、電子學、信息處理以及計算機科學，把傳統二維成像技術和光譜技術有機地結合在一起而形成的先進技術，具有很多優異的特點。

1.連續的多波段

成像光譜儀在可見光和近紅外光譜區內有數十甚至數百個波段。與傳統的遙感相比，高光譜成像儀為每個成像象元提供很窄的（一般＜10nm）成像波段，波段數與多光譜遙感相比大大增加，在可見光和近紅外波段可達幾十到幾百個，且在某個光譜區間是連續分布的，這不只是簡單的數量的增加，而是有關物體光譜空間信息量的增加。

2.光譜響應范圍廣，光譜分辨率高

成像光譜儀響應的電磁波長從可見光延伸到近紅外，甚至到中紅外。成像光譜儀采樣間隔小，光譜分辨達到納米級。

3.光譜信息與圖像信息有機結合，即“光譜圖像合一”

在高光譜影像數據中，每一象元對應一條光譜曲線，整個數據是光譜影像的立方體，具有空間圖象維和光譜維。

4.數據量大，信息冗余多

高光譜數據的波段眾多，其數據量巨大，而且波段之間相關性大，從而增加了信息的冗余度。

5.數據描述模型多，分析靈活

高光譜影像通常有三種描述模型：圖像模型、光譜模型與特征模型。