高光谱成像技术的原理和应用

作者：维尔克斯  时间：2022-11-30 10:18:51

本文就高光谱成像这一技术进行简单介绍。高光谱成像技术广泛应用于食品安全检测，农产品病害监测，遥感测量等领域，按分光的技术种类可以划分为光栅分光，棱镜分光，声光可调谐滤波分光等。

高光谱成像（Hyper-Spectral Imaging，HSI）是光谱成像的一个子类。光谱成像通常是采集到物体的反射光谱，来获取物体的所有信息。比如常见的相机，就是通过采集人们看得见的RGB三色光来获取物体信息，这就是简单的宽带光谱成像。而高光谱成像则是基于非常多窄波段的影像数据技术，不同于宽波段通道的采集，高光谱可以将某个波段分成一条条很窄的通道，在成像是时就会得到很多人眼看不到的许多波段的细致的光谱信息。高光谱相机实际采集到的是一个三维的数据立方，在成像系统获取二维空间的物体信息时也同时会获取一维的光谱信息。对于每个像素点都会通过多通道采集到高光谱信息，从而得到整个物体的各部分细节。

为何采集到物体的光谱十分重要？原因就是不同物质的反射光谱特征完全不同，就跟人类的指纹同理，每个人的指纹都各不相同，可以根据这种独特的特征来对物质进行分析与识别，光谱特征就是物质独特的“指纹”。通过建立庞大的光谱数据库，将采集到的光谱和已有的数据库里的光谱进行对比，从而得到需要的信息。高光谱成像的意义就在于此，细分的波段越窄，通道越多，可收集到的光谱也越多，也就越能获取物体的细节。

图1：光谱和指纹

高光谱成像设备主要由三个部分组成，物镜，成像光谱仪，灰度相机。对于线扫式相机，每次成像都要逐行扫描成像。物镜将目标物成像传递至光谱仪，光谱仪通过色散元件得到连续的单波长光谱信息再成像到灰度相机上，最后用计算机把收集到的每一行的光谱数据进行整合与分析。

高光谱成像的技术优势具有以下几个方面。

1. 覆盖波段广，光谱分辨率高，可以采集到大量的数据，以便于精确建模。

2. 成像原理简单，便于系统集成化，常见的高光谱相机一般都是小体积，便携性高。可以搭载在无人机上或者工业流水线的支架上工作。

3. 操作简易，无需手动扫描，内置机械推扫即可实现高光谱采集，相当于普通的数码相机，即拍即用，实时性好。

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