高光谱成像

作者：李   硕

与其他光谱成像一样，高光谱成像收集和处理来自电磁波谱的信息。目标是获得场景图像中每个像素的光谱，可用于寻找物体，识别材料或检测过程。其光谱成像有两种，其一是推扫式扫描，它能够随着时间的推移读取图像，其二是快照高光谱成像，凝视阵列瞬间生成图像。

人眼可见光主要分为三个波段（长波-被视为红色，中波-被视为绿色，短波-被视为蓝色），光谱成像将光谱分为更多的波段。这种将图像分割成带的技术可以扩展到可见光以外。在高光谱成像中，记录的光谱具有很好的波长分辨率，覆盖范围很广。高光谱成像测量连续光谱带，而不是测量间隔光谱带的多光谱成像。

工程师们建造高光谱传感器和处理系统，应用于天文学、农业、分子生物学、生物医学成像、地球科学、物理学和监测之中。高光谱传感器使用电磁频谱的很大一部分来观测物体。某些物体在电磁频谱中留下独特的“指纹”。这些“指纹”被称为光谱特征，能够用来识别扫描构成物体的材料。例如，石油的光谱特征可以帮助地质学家找到新的油田。

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高光谱传感器

高光谱传感器收集信息作为一组图像。每个图像代表一个窄波长范围的电磁光谱，也被称为光谱带。这些图像组合成一个三维（X，Y，Y）高光谱数据立方体，用于处理和分析，其中X和Y表示场景的两个空间尺寸，并表示光谱尺寸（包括波长范围）。技术上讲，传感器可使用四种取样超光谱立方体的方法：空间扫描、光谱扫描、快照图像和空间光谱扫描。

这些传感器的精度通常是以光谱分辨率来测量的，即所捕获光谱的每个波段的宽度。如果扫描器检测到大量相当窄的频带，即便仅捕获少数像素，依然可以成功识别对象。然而空间分辨率是光谱分辨率之外的另一个因素。如果像素太大，则会在同一像素中捕获多个对象，从而难以识别。如果像素太小，则每个传感器单元捕获的能量很低，降低的信噪比降低了被测特征的可靠性。

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高光谱数据采集技术

获取高光谱立方体的三维（x，y，λ）数据有四种基本方法。其技术的选择取决于具体的应用，因为每种技术都有优缺点。

空间扫描：在空间扫描中，每个二维（2-D）传感器输出代表着一个全狭缝光谱（x，λ）。用于空间扫描的高光谱成像设备通过将扫描光投射到狭缝上并用棱镜或光栅分散狭缝图像来获得狭缝光谱。这些系统的缺点是逐行分析图像（使用推扫扫帚扫描仪），并将一些机械部件集成到光学系统中。利用这些线扫描系统，通过平台运动，扫描采集空间信息。这需要稳定的机械安装并且需要精确的指向信息来重建图像。线扫描系统在遥感中特别常见，也用于扫描传送带上经过的物料。线扫描的一个特殊情况是点扫描（扫帚扫描器），其使用一个点状孔而不是狭缝，因此点扫描传感器基本上是一维的而非二维。

光谱扫描：在光谱扫描中，每个二维传感器输出代表场景的单色空间（x，y）图。用于光谱扫描的高光谱设备通常基于光学带通滤波器（可调谐或固定），在平台静止的情况下，通过一个接一个地交换过滤器对场景进行光谱扫描。然而在这种“凝视”光谱扫描系统中，如果系统中有移动，便可能会发生光谱污点，从而使光谱相关性检测失效。光谱扫描的优点是能够选择光谱带，并且能够直接表示扫描介质的两个空间维度。

快照高光谱成像: 在快照高光谱成像中，单个二维传感器输出包含所有空间（x，y）和光谱（λ）数据。用于快照图像的高光谱设备一次性生成完整的数据，而不进行任何扫描。从图中可以看出，单个快照代表数据管的透视投影，可以重建数据管的三维结构。这些快照高光谱成像系统最显著的优点是快照优势（光吞吐量更高）和采集时间更短。其设计方法包括计算层析成像光谱法、纤维重组成像光谱法、Lenslet阵列积分场光谱法、多孔径积分场光谱法、带图像切片镜的积分场光谱法、成像光谱法、滤波叠加光谱分解法、编码孔径快照光谱成像法、图像映射光谱法和多光谱Sagnac干涉法。然而，其计算工作量和制造成本都很高。为了减少快照图像高光谱仪器的计算需求和潜在的高成本，基于多变量光学计算的原型装置被设计了出来。这些器件基于多变量光学元件光谱计算引擎或空间光调制器，化学信息在成像前在光学领域进行计算，从而使化学图像依赖于传统的摄像系统，而无需进一步计算。然而作为这些系统的一个缺点，其从没有获得到光谱信息，即只有化学信息，这样不利于我们对实验数据进行处理分析。

空间光谱扫描: 在空间光谱扫描中，每个二维传感器输出代表着波长（λ=λ（y））、空间（x，y）图。这项技术的原型于2014年推出，由狭缝分光镜（狭缝 色散元件）和其后面非零距离处的摄像机所组成。其原理较为简单，通过在空间扫描系统之前放置一个色散元件，可以获得先进的空间光谱扫描系统。其扫描可以通过移动整个系统、单独移动相机或单独移动狭缝来实现。空间光谱扫描结合了空间和光谱扫描的一些优点，从而相对弥补了它们的缺点。