高光譜成像技術

高光譜成像技術是基於非常多窄波段的影像數據技術，它將成像技術與光譜技術相結合，探測目標的二維幾何空間及一維光譜信息，獲取高光譜解析度的連續、窄波段的圖像數據。目前高光譜成像技術發展迅速，常見的包括光柵分光、聲光可調諧濾波分光、稜鏡分光、晶片鍍膜等。可以套用在食品安全、醫學診斷、航天領域等領域。

基本介紹

• 中文名：高光譜成像技術
• 外文名：schematic of hyperspectral imaging
• 技術：光柵分光、稜鏡分光、晶片鍍膜
• 套用領域：食品安全、醫學診斷、航天領域
• 所屬學科：信息科學
• 優勢：探測能力強、識別能力提高

簡介

高光譜圖像

所謂高光譜圖像就是在光譜維度上進行了細緻的分割，不僅僅是傳統所謂的黑、白或者R、G、B的區別，而是在光譜維度上也有N個通道，例如：我們可以把400nm-1000nm分為300個通道。因此，通過高光譜設備獲取到的是一個數據立方，不僅有圖像的信息，並且在光譜維度上進行展開，結果不僅可以獲得圖像上每個點的光譜數據，還可以獲得任一個譜段的影像信息。

高光譜成像技術是基於非常多窄波段的影像數據技術，它將成像技術與光譜技術相結合，探測目標的二維幾何空間及一維光譜信息，獲取高光譜解析度的連續、窄波段的圖像數據。目前高光譜成像技術發展迅速，常見的包括光柵分光、聲光可調諧濾波分光、稜鏡分光、晶片鍍膜等。

高光譜遙感

高光譜遙感是通過高光譜感測器探測物體反射的電磁波而獲得地物目標的空間和頻譜數據，成立於20世紀初期的測譜學就是它的基礎。高光譜遙感的出現使得許多使用寬波段無法探查到的物體，更加容易被探測到，所以高光譜遙感的出現時成功的是革命性的。

高光譜成像技術

光柵分光原理

在經典物理學中，光波穿過狹縫、小孔或者圓盤之類的障礙物時，不同波長的光會發生不同程度的彎散傳播，再通過光柵進行衍射分光，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後，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點，再通過光柵進行衍射分光，形成一個譜帶，照射到探測器上，探測器上的每個像素位置和強度表征光譜和強度。一個點對應一個譜段，一條線就對應一個譜面，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械推掃，完成整個平面的圖像和光譜數據採集。

經過狹縫的光由於不同波長照射到不同的探測器像元上，光能量很低，因此需要選擇高靈敏相機，同時需要加光源。例如系統如下：

聲光可調諧濾波分光（AOTF）原理

AOTF由聲光介質、換能器和聲終端三部分組成。射頻驅動信號通過換能器在聲光介質內激勵出超音波。改變射頻驅動信號的頻率，可以改變AOTF衍射光的波長，從而實現電調諧波長的掃描。

最常用的AOTF晶體材料為TeO₂即非共線晶體，也就是說光波通過晶體之後以不同的出射角傳播。如上圖所示：在晶體前端有一個換能器，作用於不同的驅動頻率，產生不同頻率的振動即聲波。不同的驅動頻率對應於不同振動的聲波，聲波通過晶體TeO₂之後，使晶體中晶格產生了布拉格衍射，晶格更像一種濾波器，使晶體只能通過一種波長的光。光進入晶體之後發生衍射，產生衍射光和零級光。

AOTF系統組成

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

如圖所示：

為了保證入射光經過準平行鏡之後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，根據晶體的xxx角，可算出物鏡最大的視場角，小於最大視場角的情況，成像ok，如果大於視場角，則會造成重影（衍射光與0級光都進入了sensor）；

• 實現方法：
  

不同波長的光經過晶體之後衍射光與0級光的夾角也不同，因此為了能夠保證更好的成像效果，在晶體的出光口加入遮擋片，即遮擋0級光，避免與衍射光一起進入sensor，造成重影。

對聚光準直系統的最佳化有兩個方面：1提高光源的聚光效果，2減小聚光準直系統的外形尺寸。

稜鏡分光

入射光通過稜鏡後被分成不同的方向，然後照射到不同方向的探測器上進行成像。稜鏡分光後，在稜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採集到不同光譜信息，實現同時採集空間及光譜信息。

晶片鍍膜

近年來，IMEC（歐洲微電子研究中心）採用高靈敏CCD晶片及SCMOS晶片研製了一種新的高光譜成像技術，在探測器的像元上分別鍍不同波段的濾波膜實現高光譜成像，此技術大大降低了高光譜成像的成本。

目前IMEC提供三種標準的光譜探測器：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為一個波段的馬賽克式鍍膜探測器

這種光譜技術的優點是可以同時獲得光譜解析度和空間解析度，可以進行快速、高性能地獲得光譜信息和空間信息，集成度高，成本低。但是缺點是光譜靈敏度較低，一般大於10nm，多用於無人機等大範圍掃描的光譜套用領域。

高光譜成像系統

圖1為一個典型的高光譜成像系統結構示意圖。系統主要由面陣相機、分光設備、光源、傳輸機構及計算機軟硬體等五部分構成。光源是高光譜成像系統的一個重要部分，它為整個成像系統提供照明；分光設備是高光譜成像系統的核心元件之一，分光設備通過光學元件把寬波長的混合光分散為不同頻率的單波長光，並把分散光投射到面陣相機上； 相機是高光譜成像系統的另一個核心元件，光源產生的光與被檢測對象作用後成為物理或化學信息的載體，然後通過分光元件投射到面陣相機；計算機軟體和硬體用來控制高光譜成像系統採集數據，針對特定的套用進行圖像和光譜數據的處理與分析，同時還可以為高光譜圖像提供存儲空間。

高光譜的優勢

隨著高光譜成像的光譜解析度的提高，其探測能力也有所增強。因此，與全色和多光譜成像相比較，高光譜成像有以下顯著優勢。

(1)有著近似連續的地物光譜信息。高光譜影像在經過光譜反射率重建後，能獲取與被探測物近似的連續的光譜反射率曲線，與它的實測值相匹配，將實驗室中被探測物光譜分析模型套用到成像過程中。

(2)對於地表覆蓋的探測和識別能力極大提高。高光譜數據能夠探測具有診斷性光譜吸收特徵的物質，能準確的區分地表植被覆蓋類型，道路地面的材料等。

(3)地形要素分類識別方法是多種多樣的。影像分類既可以採用如貝葉斯判別、決策樹、神經網路、支持向量機的模式識別方法，也可以採用基於被探測物的光譜資料庫的光譜進行匹配的方法。分類識別特徵是既可以採用光譜診斷特徵，也可以採用特徵選擇與提取。

(4)地形要素的定量和半定量分類識別將成為可能。在高光譜影像中能估計出多種被探測物的狀態參量，大大的提高了成像高定量分析的精度和可靠性。

高光譜成像技術套用

食品安全

高光譜成像技術融合了傳統的成像和光譜技術的優點,可以同時獲取被檢測物體的空間信息和光譜信息,因此該技術既可以像檢測物體的外部品質,又可以像光譜技術一樣檢測物體的內部品質和品質安全。目前,已經有大量的基於高光譜成像技術檢測水果和蔬菜品質與安全的研究性論文發表。

醫學診斷

高光譜成像是一個新興的,非破壞性的,先進的光學技術,它具有光譜和成像的雙重功能,這種雙重功能使得高光譜成像能夠同時提供實驗對象的化學和物理特徵,並具有良好的空間解析度。高光譜成像作為一種特殊光學診斷技術,具有成像系統多樣化、研究對象廣泛化、臨床診斷實用化和分析方法功能化等特徵，具有原位實時活體診斷疾病(特別是腫瘤)的潛力,臨床套用前景廣闊,值得深入研究。

航天領域

根據目前公開的信息可以認為航天高光譜成像儀將進入新一輪發展。在儀器性能方面民用高光譜成像儀主要通過擴大幅寬提高靈敏度等措施來滿足地球科學等套用需求；軍用高光譜成像儀將在空間解析度譜段覆蓋和信息實時處理能力方面進一步發展 。根據現有能力和水平國內發展空間解析度30m左右幅寬大於60km的航天高光譜成像系統的條件已經基本具備，這樣的技術指標已經能夠滿足礦產調查環境監測和農林估產等需求並具有一定的先進性。