什么是高光谱成像?

高光谱相机或高光谱成像仪或成像光谱仪结合了数字成像和光谱技术的强大功能。高光谱相机的图像其每一个像素的光密度(光辐射率/光亮度)都有几十至几百个光谱带。因此,图像中的每一个像素都包含一个连续的光谱(光辐射率或反射系数),并且可以高度精细地描述场景中的物体。

HySpex原理图

高光谱相机数据块示意图

相较于普通摄像机在成像时,只接收红、蓝、绿视觉三原色的可见光谱,高光谱成像技术可以得到某个场景更加细致的画面。而且高光谱成像技术基于其光谱性能,可以大幅提升图像中物体的分辨度。
随着传感器设计与数据处理速度的革新,高光谱成像技术的应用从“卫星/机载的高空观测”与“军事目标侦查”到“工业质量控制”与“生物医药实验”,已经变得非常广泛。另外由于高光谱成像技术丰富的信息承载量,它也非常适合工业中的远程监控。

推扫式扫描

高光谱相机运用所谓的“推扫”技术,对某个场景进行逐线图像处理,每一条空间图像细线在到达传感器阵列之前,已经被分解成了光谱分量。在二维传感器阵列上,一个维度用于光谱分离,另一个维度用于在一个空间方向上进行成像。场景中的第二个空间维度来自于对场景空中俯瞰的扫描。每个光谱通道都是一个二维图像,或者图像中的每个像素都包含一个完整的光谱。

工作原理

简单来说,高光谱相机内部的原理是:高光谱相机将镜头前的场景投射到一个缝隙中(镜头实际只接收条状光线),这个缝隙只能得到场景中窄线上发出的光线。在对焦后,色散的元素(专业来说是一个传输光栅)将不同的波长分开,然后光线被聚焦到一个检测器阵列上。通过光学的净效应,对于由狭缝限制的直线上的每个像素间隔,在阵列上的探测器列上投射出相应的频谱。所以,从阵列中读出的数据包含一个高光谱图像的切片,其中带有一个方向的光谱信息和另一个方向的空间图像信息。通过对场景的扫描,HySpex高光谱相机从相邻的空间线中收集上述的图像切片,最终形成完整的高光谱图像或“像块”,它有两个空间维度和一个光谱维度。请注意,扫描操作通常是由外部运动来完成的,比如:在远程观测时,扫描是由飞机或卫星的移动来进行的;在一般工业质量控制的应用中,会将高光谱相机固定在传送带旁,产品通过传送带的运动来实现高光谱相机的扫描动作。

HySpex原理图

HySpex高光谱相机运行原理

应用

HySpex高光谱相机可以超越人类的肉眼,获取波长超过700纳米的光谱/图像信息。HySpex 高光谱相机可以经过设置,将光谱范围提升至2500纳米,这其中包含了大部分的红外光谱。在大多数应用领域中,红外区域的反射/吸收性能是对场景物体的识别,量化以及分辨好坏的关键。
近来随着传感技术与电脑性能的革新,高光谱成像技术已经从一个不可靠的试验品转变成一个可靠而精准的分析工具,其应用范围已经扩大,包括:在线工业监测/分装/分类、实验室测量、诊所医疗成像仪、机载/卫星遥感观测等。NEO公司的HySpex高光谱相机/高光谱成像仪/成像光谱仪可以完美的应用于上述领域甚至更广。