高光谱成像技术进展(光电检测技术大作业)

高光谱成像技术进展

By 130405100xx 一．高光谱成像技术的简介

高光谱成像技术的出现是一场革命，尤其是在遥感界。它使本来在宽波段不可探测的物质能够被探测，其重大意义已得到世界公认。高光谱成像技术光谱分辨率远高于多光谱成像技术，因此高光谱成像技术数据的光谱信息更加详细,更加丰富,有利于地物特征分析。有人说得好，如果把多光谱扫描成像的MSS ( multi-spectral scanner) 和TM( thematic mapper) 作为遥感技术发展的第一代和第二代的话, 那么高光谱成像( hyperspectral imagery) 技术则是第三代的成像技术。

高光谱成像技术的具体定义是在多光谱成像的基础上，从紫外到近红外（200-2500nm）的光谱范围内，利用成像光谱仪，在光谱覆盖范围内的数十或数百条光谐波段对目标物体连续成像。在获得物体空间特征成像的同时，也获得了被测物体的光谱信息。

（一）高光谱成像系统的组成和成像原理

而所谓高光谱图像就是在光谱维度上进行了细致的分割，不仅仅是传统所谓的黑、白或者R、G、B的区别，而是在光谱维度上也有N个通道，例如：我们可以把400nm-1000nm分为300个通道。因此，通过高光谱设备获取到的是一个数据立方，不仅有图像的信息，并且在光谱维度上进行展开，结果不仅可以获得图像上每个点的光谱数据，还可以获得任一个谱段的影像信息。

目前高光谱成像技术发展迅速，常见的包括光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光、芯片镀膜等。下面分别介绍下以下几种类别：

（1）光栅分光光谱仪

空间中的一维信息通过镜头和狭缝后，不同波长的光按照不同程度的弯散传播，这一维图像上的每个点，再通过光栅进行衍射分光，形成一个谱带，照射到探测器上，探测器上的每个像素位置和强度表征光谱和强度。一个点对应一个谱段，一条线就对应一个谱面，因此探测器每次成像是空间一条线上的光谱信息，为了获得空间二维图像再通过机械推扫，完成整个平面的图像和光谱数据采集。

如下图所示。

经过狭缝的光由于不同波长照射到不同的探测器像元上，光能量很低，因此需要选择高灵敏相机，同时需要加光源。例如系统如下：

光源相机（成像光谱仪+ccd）装备有图像采集卡的计算机是高光谱成像技术的硬件组成，其光谱的覆盖范围为200-400nm，400-1000nm，900-1700nm，1000-2500nm。其中光谱相机的主要组成部分为准直镜，光栅光谱仪，聚焦透镜以及面阵ccd。

其扫描过程是当ccd探测器在光学焦面的垂直方向上做横向扫描（x），当横向的平行光垂直入射到投身光栅是就形成了光栅光谱，这是像元经过高光谱仪在ccd上得出的数据，它的横向式x方向上的像素点也就是扫描的象元，它的总像是各像元对应的信息。在检测系统输送前进是排列的他测器完成纵向扫面（y）。综合扫描信息即可得到物体的三围高光谱数据。

（2）声光可调谐滤波分光（AOTF）光谱仪

AOTF由声光介质、换能器和声终端三部分组成。射频驱动信号通过换能器在声光介质内激励出超声波。改变射频驱动信号的频率，可以改变AOTF衍射光的波长，从而实现电调谐波长的扫描。

最常用的AOTF晶体材料为TeO2即非共线晶体，也就是说光波通过晶体之后以不同的出射角传播。如上图所示：在晶体前端有一个换能器，作用于不同的驱动频率，产生不同频率的振动即声波。不同的驱动频率对应于不同振动的声波，声波通过晶体TeO2之后，使晶体中晶格产生了布拉格衍射，晶格更像一种滤波

器，使晶体只能通过一种波长的光。光进入晶体之后发生衍射，产生衍射光和零级光。

上图是AOTF的组成。由图可知，AOTF是由成像物镜+准直镜+偏振片+晶体+偏振片+物镜+detector，入射光经过物镜会聚之后进入准平行镜（把所有的入射光变成平行光），准平行光进入偏振片通过同一方向的传播的光，平行光进入晶体之后，平行于光轴的光按照原来方向前行，非平行光进行衍射，分成两束相互垂直o光和e光（入射光的波长不同经过晶体之后的o光与e光的角度也不同，因此在改变波长的过程中，图像会出现漂移）；o光和e光及0级光分别会聚在不同的面上。如下图所示：

为了保证入射光经过准平行镜之后能够完全变化成平行光，因此对前端的物镜视场角有一定的要求，根据晶体的xxx角，可算出物镜最大的视场角，小于最大视场角的情况，成像ok，如果大于视场角，则会造成重影（衍射光与0级光都进入了sensor）。可在晶体的出光口加入遮挡片，即遮挡0级光，避免与衍射光一起进入sensor，以免造成重影现象。同时，对聚光准直系统的优化有两个方面：1.提高光源的聚光效果，2.减小聚光准直系统的外形尺寸。

（3）棱镜分光光谱仪

入射光通过棱镜后被分成不同的方向，然后照射到不同方向的探测器上进行成像。棱镜分光后，在棱镜的出射面镀了不同波段的滤光膜，使得不同方向的探测器可以采集到不同光谱信息，实现同时采集空间及光谱信息。

（4）芯片镀膜光谱仪

近年来，IMEC（欧洲微电子研究中心）采用高灵敏CCD芯片及SCMOS芯片研制了一种新的高光谱成像技术，在探测器的像元上分别镀不同波段的滤波膜实现高光谱成像，此技术大大降低了高光谱成像的成本。

目前IMEC提供三种标准的光谱探测器：100波带的线扫描探测器，32波带的瓷砖式镀膜探测器，16波带以4x4为一个波段的马赛克式镀膜探测器。

这种光谱技术的优点是可以同时获得光谱分辨率和空间分辨率，可以进行快速、高性能地获得光谱信息和空间信息，集成度高，成本低。但是缺点是光谱灵敏度较低，一般大于10nm，多用于无人机等大范围扫描的光谱应用领域。

（二）高光谱成像技术的特点

1.光谱响应范围广，光谱分辨率高。

成像光谱仪响应的电磁波长从可见光延伸到近红外，甚至到中红外，光谱分辨率达到纳米级。

2.光谱信息与图像信息有机结合，即“图谱合一”。

在高光谱影像数据中，每一像元对应于一条光谱曲线。整个数据是光谱影像的立方体，具有空间图像维和光谱维。

3.数据描述模型多，分析更加灵活。

高光谱影像通常有三种描述模型：图像模型、光谱模型与特征模型。

4.数据量大，信息冗余多。

高光谱数据的波段众多，其数据量巨大，而且波段之间相关性大。

（三）高光谱成像技术的优势

高光谱图像集样本的图像信息与光谱信息于一身，图像信息可以反映样本的大小、形状、缺陷等外部品质特征。由于不同成分对光谱的吸收也不同，在某个