高光譜成像技術(shù)是一種新型的無損檢測技術(shù)，為工業(yè)分選、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、色差檢測、食品檢測、醫(yī)學(xué)制藥、文物保護(hù)、刑偵檢測、環(huán)境監(jiān)測德國提供可靠的技術(shù)手段。本文主要介紹了高光譜成像技術(shù)的基本原理。

高光譜成像技術(shù)的結(jié)構(gòu)

高光譜成像系統(tǒng)主要由光源、CCD攝像機(jī)、成像光譜儀、鏡頭、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)及控制裝置等組成。其最主要的工作部件是成像光譜儀，它是一種新型傳感器，于20 世紀(jì)80年代初發(fā)展起來。該光譜儀最重要的特點(diǎn)在于波段多且寬度窄，使得高光譜成像儀能探測到別的寬波段無法探測到的物體，光譜響應(yīng)范圍更廣，光譜分辨率更高，能夠更加精細(xì)地發(fā)現(xiàn)被探測物的微小特征，更重要的是它可以提供空間域和光譜域信息的結(jié)合，也就是“圖譜合一”，但同時(shí)也存在著數(shù)據(jù)量大、冗余信息多的特點(diǎn)。

高光譜成像技術(shù)的基本原理

1. 光柵分光原理

在經(jīng)典物理學(xué)中，光波穿過狹縫、小孔或者圓盤之類的障礙物時(shí)，不同波長的光會發(fā)生不同程度的彎散傳播，再通過光柵進(jìn)行折射分光，形成一條條譜帶。也就是說空間中的一維信息通過鏡頭和狹縫后，不同波長的光按照不同程度的彎散傳播，這一維圖像上的每個(gè)點(diǎn)，再通過光柵進(jìn)行衍射分光，形成一個(gè)譜帶，照射到探測器上，探測器上的每個(gè)像素位置和強(qiáng)度表征光譜和強(qiáng)度。一個(gè)點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)譜段，一條線就對應(yīng)一個(gè)譜面，因此探測器每次成像是空間一條線上的光譜信息，為了獲得空間二維圖像再通過機(jī)械推掃，完成整個(gè)平面的圖像和光譜數(shù)據(jù)采集。

2. 聲光可調(diào)諧濾波分光(AOTF)原理:

AOTF由聲光介質(zhì)、換能器和聲終端三部分組成。射頻驅(qū)動(dòng)信號通過換能器在聲光介質(zhì)內(nèi)激勵(lì)出超聲波。改變射頻驅(qū)動(dòng)信號的頻率，可以改變AOTF衍射光的波長，從而實(shí)現(xiàn)電調(diào)諧波長的掃描。

3. AOTF系統(tǒng)

AOTF系統(tǒng)組成:成像物鏡+準(zhǔn)直鏡+偏振片+晶體+偏振片+物鏡+detector，入射光經(jīng)過物鏡會聚之后進(jìn)入準(zhǔn)平行鏡(把所有的入射光變成平行光)，準(zhǔn)平行光進(jìn)入偏振片通過同一方向的傳播的光，平行光進(jìn)入晶體之后，平行于光軸的光按照原來方向前行，非平行光進(jìn)行衍射，分成兩束相互垂直o光和e光(入射光的波長不同經(jīng)過晶體之后的o光與e光的角度也不同，因此在改變波長的過程中，圖像會出現(xiàn)漂移);o光和e光及0級光分別會聚在不同的面上。

為了保證入射光經(jīng)過準(zhǔn)平行鏡之后能夠完全變化成平行光，因此對前端的物鏡視場角有一定的要求，根據(jù)晶體的xxx角，可算出物鏡最大的視場角，小于最大視場角的情況，成像ok，如果大于視場角，則會造成重影(衍射光與0級光都進(jìn)入了sensor);

4. 棱鏡分光

入射光通過棱鏡后被分成不同的方向，然后照射到不同方向的探測器上進(jìn)行成像。棱鏡分光后，在棱鏡的出射面鍍了不同波段的濾光膜，使得不同方向的探測器可以采集到不同光譜信息，實(shí)現(xiàn)同時(shí)采集空間及光譜信息。

5. 芯片鍍膜

近年來，IMEC(歐洲微電子研究中心)采用高靈敏CCD芯片及SCMOS芯片研制了一種新的高光譜成像技術(shù)，在探測器的像元上分別鍍不同波段的濾波膜實(shí)現(xiàn)高光譜成像，此技術(shù)大大降低的高光譜成像的成本。

目前IMEC提供三種標(biāo)準(zhǔn)的光譜探測器:100波帶的線掃描探測器，32波帶的瓷磚式鍍膜探測器，16波帶以4x4為一個(gè)波段的馬賽克式鍍膜探測器

這種光譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)獲得光譜分辨率和空間分辨率，可以進(jìn)行快速、高性能地獲得光譜信息和空間信息，集成度高，成本低。但是缺點(diǎn)是光譜靈敏度較低，一般大于10nm，多用于無人機(jī)等大范圍掃描的光譜應(yīng)用領(lǐng)域。

高光譜成像技術(shù)是一種新型的遙感技術(shù)，它利用物質(zhì)與光的相互作用來獲取目標(biāo)地物的光譜信息。這種技術(shù)結(jié)合了二維成像和光譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可以在獲取空間信息的同時(shí)，得到每個(gè)像元的光譜信息。通過對這些光譜信息進(jìn)行處理和分析，可以實(shí)現(xiàn)地物的分類、識別、定量分析和特征提取等任務(wù)。

高光譜成像技術(shù)的原理是基于物質(zhì)與光的相互作用。當(dāng)光線與物質(zhì)相互作用時(shí)，物質(zhì)會吸收、反射、散射或發(fā)射光線，形成獨(dú)特的光譜特征。這些光譜特征包含了物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)的信息。不同物質(zhì)具有不同的光譜特征，因此可以通過對光譜特征的分析來識別地物。

高光譜成像技術(shù)利用光譜儀或成像光譜儀獲取目標(biāo)地物的連續(xù)、高分辨率的光譜數(shù)據(jù)。它通過對每個(gè)像素或像元進(jìn)行光譜分析，可以獲取大量的窄波段光譜信息。這些信息可以用來識別地物的特征、類型和屬性。例如，通過分析地物的光譜特征，可以判斷出它是草地、森林、水體還是建筑物等。

高光譜成像技術(shù)不僅可以識別地物的類型和屬性，還可以實(shí)現(xiàn)地物的定量分析和特征提取。通過對地物光譜特征的分析，可以得出地物的各種化學(xué)成分和物理特性，如葉綠素含量、水分含量、土壤含沙量等等。這些信息對于環(huán)境保護(hù)、資源利用和農(nóng)業(yè)等方面具有非常重要的意義。

總之，高光譜成像技術(shù)是一種非常有用的遙感技術(shù)，它可以獲取目標(biāo)地物的連續(xù)、高分辨率的光譜數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)的處理和分析，可以實(shí)現(xiàn)地物的分類、識別、定量分析和特征提取等任務(wù)。這種技術(shù)在環(huán)境保護(hù)、資源利用、農(nóng)業(yè)、城市規(guī)劃等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。