高光譜相機：提升光譜分辨率的新技術

一、光譜分辨率的概念

光譜分辨率

指傳感器接收目標輻射的波譜時能分辨的最小波長間隔，間隔越小，分辨率越高。光譜分辨率被嚴格定義為儀器在達到50%光譜響應時在波長方向的寬度（波段寬度，Bandwidth）。光譜分辨率是光譜儀器對光譜信號的解析能力，即測量某一波長范圍內光譜信號的精細程度。具體指成像的波段范圍,光譜分辨率越高，儀器對光譜信號的解析能力就越強，能夠分辨出更多的細節(jié)和信息，現(xiàn)在的技術可以達到5~6nm(納米)量級,400多個波段。

光譜分辨率spectral resolution含義

定義(1)：遙感器能分辨的最小波長間隔，是遙感器的性能指標。遙感器的波段劃分得越細，光譜的分辨率就越高，遙感影像區(qū)分不同地物的能力越強。

定義(2)：多光譜遙感器接收目標輻射信號時所能分辨的最小波長間隔。

光譜分辨率指成像的波段范圍，分得愈細，波段愈多，光譜分辨率就愈高，現(xiàn)在的技術可以達到5~6nm（納米）量級，400多個波段。細分光譜可以提高自動區(qū)分和識別目標性質和組成成分的能力。

傳感器的波譜范圍，一般來說識別某種波譜的范圍窄，則相應光譜分辨率高。 舉個例子：可以分辨紅外、紅橙黃綠青藍紫紫外的傳感器的光譜分辨率就比只能分辨紅綠藍的傳感器的光譜分辨率高。

一般來說，傳感器的波段數(shù)越多波段寬度越窄，地面物體的信息越容易區(qū)分和識別，針對性越強。

光譜分辨率在多光譜、高光譜、超光譜

(1)多光譜成像——光譜分辨率在 delta_lambda/lambda=0．1mm數(shù)量級，這樣的傳感器在可見光和近紅外區(qū)域一般只有幾個波段。

(2)高光譜成像—— 光譜分辨率在 delta_lambda/lambda=0．01mm數(shù)量級，這樣的傳感器在可見光和近紅外區(qū)域有幾十到數(shù)百個波段，光譜分辨率可達nm級。

(3)超光譜成像—— 光譜分辨率在delta_lambda/lambda =0．001mm數(shù)量級，這樣的傳感器在可見光和近紅外區(qū)域可達數(shù)千個波段。

光譜分辨率光譜范圍：

(1)多光譜：光譜分辨率在10-1λ數(shù)量級范圍內稱為多光譜(Multi-spectral)。包括：可見光、紫外光、紅外光

(2)高光譜：光譜分辨率在10-2λ數(shù)量級范圍內稱為高光譜(Hyper-spectral)。在電磁波譜的紫外、可見光、近紅外和中紅外區(qū)域，以數(shù)十至數(shù)百個連續(xù)且細分的光譜波段對目標區(qū)域同時成像

(3)紅外光譜：通常將紅外光譜分為三個區(qū)域：近紅外區(qū)(0.75-2.5μm)、中紅外區(qū)(2.5-25μm)和遠紅外區(qū)(25-1000μm)。一般說來，近紅外光譜是由分子的倍頻、合頻產生的；中紅外光譜屬于分子的基頻振動光譜；遠紅外光譜則屬于分子的轉動光譜和某些基團的振動光譜。

由于絕大多數(shù)有機物和無機物的基頻吸收帶都出現(xiàn)在中紅外區(qū)，因此中紅外區(qū)是研究和應用最多的區(qū)域，積累的資料也最多，儀器技術最為成熟。通常所說的紅外光譜即指中紅外光譜。

二、光譜分辨率的工作原理

光譜分辨率是通過光譜儀器中的色散元件來實現(xiàn)的。色散元件的作用是將光譜信號按照波長分散成不同的波段，使得每個波段內的光譜信號可以被單獨收集和分析。光譜儀器中的色散元件通常是棱鏡或光柵，它們可以將光譜信號分解成不同的波長成分，并在探測器上形成不同的信號峰。

三、光譜分辨率的應用領域

光譜分辨率在物質識別、分析和監(jiān)測方面有著廣泛的應用。

物質識別：光譜分辨率高的光譜儀器能夠分辨出物質吸收、發(fā)射光譜的細微差異，從而實現(xiàn)對不同物質的準確識別。例如，在遙感領域，高光譜相機可以通過分析地物反射光譜圖像來識別不同的植被類型、地質環(huán)境和水體成分。

成分分析：光譜分辨率高的光譜儀器能夠對物質中的不同成分進行定量分析。例如，在生物醫(yī)學領域，高光譜相機可以通過分析人體組織反射光譜來定量分析其中的化學成分，有助于疾病診斷和治療。

環(huán)境監(jiān)測：光譜分辨率高的光譜儀器能夠對環(huán)境污染物進行準確識別和監(jiān)測。例如，在大氣環(huán)境監(jiān)測中，高光譜儀器可以分析大氣中的各種氣體成分，有助于了解大氣污染的程度和種類。

四、高光譜相機的工作原理

高光譜相機是一種新型傳感器，它通過多路、連續(xù)并具有高光譜分辨率方式獲取圖像信息。它基本上屬于多光譜掃描儀，其構造與 CCD 線陣列推掃式掃描儀和多光譜掃描儀相同，區(qū)別僅在于通道數(shù)多，各通道的波段寬度很窄。

高光譜相機按其結構的不同，可分為兩種類型。一種是面陣探測器加推掃式掃描儀的成像光譜儀，它利用線陣列探測器進行掃描，利用色散元件和面陣探測器完成光譜掃描。利用線陣列探測器及其沿軌道方向的運動完成空間掃描。另一種是用線陣列探測器加光機掃描儀的成像光譜儀，它利用點探測器收集光譜信息，經色散元件后分成不同的波段，分別在線陣列探測器的不同元件上，通過點掃描鏡在垂直于軌道方向的面內擺動以及沿軌道方向的運動完成空間掃描，而利用線探測器完成光譜掃描。

五、高光譜遙感數(shù)據(jù)特點： 光譜分辨率高

光譜分辨率高，能反映地物光譜的細微特征。與地面光譜輻射計相比，成像光譜儀不是在“點”上的光譜測量，而是在連續(xù)空間上進行光譜測量，因此它是光譜成像的； 與傳統(tǒng)多光譜遙感相比，其光譜通道不是離散而是連續(xù)的， 因此從它的每個像元均能提取一 條平滑而完整的光譜曲線。

高光譜遙感器——成像光譜儀，能獲得整個可見光，近紅外，短波紅外，熱紅外波段的多而窄的連續(xù)光譜，波段數(shù)多至幾十甚至數(shù)百個，光譜分辨率可以達到納米級，一般為10-20nm，個別達2.5nm。

六、高光譜相機的應用領域

高光譜相機在多個領域有著廣泛的應用。在遙感領域，高光譜相機可以用于地信、測繪、資環(huán)等方面，能夠提供更豐富、更準確的地物信息。在生物醫(yī)學領域，高光譜相機可以用于檢測皮膚癌、乳腺癌等疾病，有助于早期發(fā)現(xiàn)和治療疾病。在環(huán)境監(jiān)測領域，高光譜相機可以用于監(jiān)測水污染、大氣污染等，能夠提供更精細、更準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

高光譜相機作為一種新技術，具有很高的光譜分辨率，能夠提供更豐富、更準確的信息。它將在多個領域得到廣泛的應用，推動科技進步和社會發(fā)展。