高光谱相机

一、高光谱概述

成像光谱（imaging spectroscopy）是成像技术与光谱技术结合的产物，是在多个窄波或者光谱连续的图像数据，首先应用于遥感领域中，随着成像光谱技术的成熟，它被应用到其他邻域比如生物医学领域。因此，以方便成像光谱中能够获得二维图像，另一方面可以获得图像中任一位置的光谱。即成像光谱是一种三维形式的光谱，它包括一维的光谱坐标和二维的空间坐标，可以用符号 \(I(x,y,\lambda)\)

二、成像光谱系统的基本参数：

• 光谱分辨率：能分辨的最小波长间隔，或者用光谱分辨本领 表示。光谱分辨率越高，区分目标的能力越强，在遥感领域中，光谱成像技术分为多光谱（multi-spectral）、高光谱（hyper-spectral）和超光谱（Ultral-spectral）成像，它们就是按照光谱的分辨率进行划分的。

  名称	多光谱成像	高光谱成像	超光谱成像
  光谱分辨率	100nm量级	10nm量级	1nm量级
  光谱分辨本领	10左右	100左右	1000左右
  光谱通道数	数个到十几个	几十个至数百个	数千个

• 光谱范围，目前的光谱成像技术一般可以覆盖紫外-可见-近红外，甚至到中红外波段。
• 空间分辨率：能分辨的物方最小单元尺寸。它与光学系统和探测器本身的性质相关，比如：数值孔径（NA）、放大器、探测器像元尺寸等；在遥感领域，空间分辨率常用视场角（intantaneous field of view，IFOV）描述，它指某一瞬间探测器单元对应的视场角，与空间分辨率 \(\delta\) 的关系为：\(\delta=2htan(\frac{IFOV}{2})\)，其中 \(h\) 表示飞行器到地面的距离。遥感成像光谱仪的 \(IFOV\) 通常为 \(10^{-2}mrad\) 量级。
• 视场：能够成像的最大空间范围，通常用视场角（field of view，FOV）表示，它与空间分辨率相互制约；
• 信噪比和最小可探测信号：它由系统的探测器性能决定，他们会制约系统的光谱分辨率、空间分辨率等指标；

三、成像光谱系统扫描方法

成像光谱系统的图像扫描方式包括点扫描、线扫描和非扫描三种方式。

1. 点扫描

每次获取物体上一点的光谱信息 \(I(\lambda)\) ，再通过 \(x-y\) 方向逐点扫描得到成像光谱。优势在于仅使用线阵探测器就可以，容易通过延长积分时间来提高信号的信噪比，缺点是获取成像光谱较慢。遥感领域早期使用定位掸扫式成像（whiskroom imaging）光谱系统。

2. 线扫描

每次获取物体上一条线上每点的光谱信息 \(I(x,\lambda)\) ，然后通过在 \(y\) 方向逐线扫描得到成像光谱，适合用于被测物与成像光谱探测系统的相对移动就是线性的。遥感领域常用的推扫式成像（pushbroom imaging）就属于线扫描方式。

3. 非扫描

这种方式在空间x-y方向上扫描，每次获取特定波长 \(\lambda\) 下的物体图像 \(I(x,y)\) ，然后通过波长扫描得到成像光谱。这种方式不需要使用面阵探测器，知识探测器的二维方向分别为空间的 \(x\) 和 \(y\) 方向。遥感领域中的凝视成像（staring imaging）光谱系统就是这种。它在一定时间内所探测的区域固定不变，通过波长调谐器选择探测特定波长或者窄波段下的二维图像。波长调谐器可以是离散的滤光片或者可调滤光器；此外，也可以采用福夜里变换干涉方式获取光谱，这种情况下探测器每次得到的是特定光程差下的干涉强度图像，再对每个像素的干涉强度序列进行傅里叶变换得到响应光谱。

四、成像光谱系统的波长扫描方式及典型的光谱系统

成像光谱系统的波长扫描方法有滤波片、棱镜色散、光栅色散、可调谐滤光器、傅里叶变换干涉仪等；

• 干涉成像光谱仪：嫦娥一号
• 拉曼成像光谱系统：一个用于视频质量检测的光谱系统，它用785nm的线激光激发样品的拉曼信号，经滤光片滤除激光信号后，拉曼信号被棱镜/光栅/棱镜系统色散，色散后的光谱信号被CCD检测，每个时刻CCD获取样品一条线上每个物元的光谱，通过沿扫描线的垂直方向移动样品获得样品的拉曼成像光谱。
• 高光谱荧光显微镜：它用疝灯和360nm的激发滤光片组合作为激发光源，经40倍的显微镜后激发样品荧光，用发射滤光片滤除激光后，荧光信号经AOTF调制选择波长，成像在CCD上，CCD获取的是特定波长下的荧光图像，光谱分辨率为6nm。

五、成像光谱的数据处理

成像光谱是空间和光谱连续的三维数据集，通常成像光谱的数据处理是对图像中的每个像元进行分离。成像光谱相比于普通图像，多出波长维度，导致其数据量急剧增加，一方面能够提供目标的详细信息，对于目标识别和分类有利，但是另一方面会导致信息冗余，增加数据处理难度以及无法获取足够样本训练导致模型精度下降。因此，如何有效利用成像光谱数据对目标进行快速、准确分类成为一个难题。

1. 焊接过程熔池的高光谱数据采集

2. 普通场景的高光谱数据采集

使用 ENVI Classic 软件对数据分析数据如下：

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Reference

https://zhuanlan.zhihu.com/p/450237631?utm_id=0
https://zhuanlan.zhihu.com/p/361338784?utm_medium=social&utm_oi=32177072898048