高光譜成像指的是先進(jìn)的光譜成像技術(shù)，在這種技術(shù)中，人們可以為每個(gè)圖像像素獲得一個(gè)完整的光學(xué)光譜。與典型的多光譜成像相比，人們采用了大量不同的波長(zhǎng)通道(例如數(shù)百或數(shù)千個(gè))，這些通道在波長(zhǎng)或光頻方面通?；蚨嗷蛏偈堑染嗟模旧鲜遣恢丿B的，并且覆蓋了大量的連續(xù)光譜范圍。由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可被視為形成一個(gè)高光譜立方體，即一個(gè)具有x、y和λ(波長(zhǎng))坐標(biāo)的三維數(shù)據(jù)集--見圖1。

圖1：高光譜成像的數(shù)據(jù)可以表示為一個(gè)具有坐標(biāo)x、y和λ的高光譜立方體。

每個(gè)波長(zhǎng)通道提供一個(gè)單色的二維圖像，而人們有一個(gè)光學(xué)光譜對(duì)應(yīng)于這樣一個(gè)圖像的每個(gè)點(diǎn)。

與多光譜成像相比，人們通常有大量的波長(zhǎng)通道。另一方面，多光譜成像儀可以覆蓋更大的光譜范圍，例如甚至包括用于熱成像的很長(zhǎng)的紅外波長(zhǎng)--這很難用類似于通常用于高光譜成像儀的圖像傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于附近物體的高光譜成像，人們可能希望應(yīng)用光譜控制的照明，避免可變環(huán)境光的影響。或者，人們可以采用校準(zhǔn)程序，例如，可以基于參考物體的圖像。

高光譜成像儀的操作原理

對(duì)于在圖像傳感器中每個(gè)波長(zhǎng)通道使用一種類型的光電探測(cè)器來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)的波長(zhǎng)通道數(shù)量通常太大。因此，通常使用其他技術(shù)。

點(diǎn)式掃描

一種可能性是采用某種光譜儀與二維掃描成像設(shè)備(拂塵掃描儀)相結(jié)合。在任何特定的時(shí)間，人們接收來(lái)自某個(gè)方向的光，并記錄一個(gè)光學(xué)光譜。例如，我們可以使用一種簡(jiǎn)單的光譜儀，在一個(gè)一維光電二極管陣列前有一個(gè)衍射光柵。

一個(gè)完整的高光譜圖像需要對(duì)所有圖像方向進(jìn)行二維掃描，通常需要大量的采集時(shí)間。而且，對(duì)入射光的利用效率很低，很容易出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偽影。

盡管該方法允許人們使用相當(dāng)傳統(tǒng)的光譜儀，但由于上述限制和需要掃描光學(xué)器件(通常有機(jī)械部件)，它并不經(jīng)常使用。

線狀掃描

線掃描是高光譜成像中最經(jīng)常使用的圖像采集技術(shù)。它意味著在任何時(shí)間點(diǎn)上，人們都要獲取一條線的圖像信息(推掃式掃描儀)。選擇一條線通常是通過(guò)在一個(gè)圖像平面上放置一個(gè)光學(xué)狹縫來(lái)完成的。此外，人們使用一個(gè)衍射光柵或其他色散光學(xué)元件，在垂直于狹縫的方向上對(duì)不同的波長(zhǎng)成分進(jìn)行空間分離。然后光可以被送到一個(gè)二維圖像傳感器(焦平面陣列)，其中一個(gè)方向?qū)?yīng)空間坐標(biāo)，另一個(gè)方向?qū)?yīng)波長(zhǎng)。人們可以使用可交換的光柵，以不同的光譜分辨率覆蓋不同的光譜區(qū)域。

一幅圖像的完成需要多個(gè)這樣的記錄，所述狹縫的方向不同，或整個(gè)成像儀器，或被成像物體的方向不同。例如，飛機(jī)或太空衛(wèi)星上的儀器自然是在一個(gè)方向上移動(dòng)，這個(gè)方向應(yīng)該是與圖像線的方向垂直的。同樣地，人們可以對(duì)正在移動(dòng)的物體進(jìn)行成像，例如沿著工廠的傳送帶。在其他情況下，需要一個(gè)移動(dòng)的鏡子或其他種類的掃描光學(xué)器件來(lái)進(jìn)行觀察方向的一維掃描。

與點(diǎn)掃描相比，圖像采集的速度要快得多，而且運(yùn)動(dòng)偽影的傾向也會(huì)減少。所需的焦平面陣列類型相當(dāng)簡(jiǎn)單;它只需要在感興趣的整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)表現(xiàn)出足夠高的響應(yīng)性。響應(yīng)性的波長(zhǎng)依賴性可以在設(shè)備校準(zhǔn)中得到考慮。

然而，輸入光的使用并不十分有效，因?yàn)樵谕粫r(shí)間只能利用與一條線相對(duì)應(yīng)的光。

光譜掃描

人們可以通過(guò)將一個(gè)可調(diào)諧的光學(xué)帶通濾波器集成到一個(gè)相機(jī)中來(lái)實(shí)現(xiàn)高光譜成像。然后一次記錄一個(gè)波段的圖像，并將許多這樣的記錄的數(shù)據(jù)合并為一個(gè)高光譜立方體。盡管所有圖像方向的光都可以隨時(shí)利用，但人們?cè)谌魏螘r(shí)候都只使用一個(gè)小的光譜槽，因此光的使用效率和線掃描一樣低。另外，要實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率的可調(diào)諧帶通濾波器并不容易。

另外，人們可以使用波長(zhǎng)可調(diào)的照明，例如使用光參量振蕩器。每張圖像的曝光是針對(duì)一個(gè)波長(zhǎng)的，不同波長(zhǎng)的多次曝光可以提供一個(gè)高光譜圖像。

光譜掃描的一個(gè)核心優(yōu)勢(shì)是可以使用傳統(tǒng)的成像儀器。例如，人們可以在顯微鏡上配備一個(gè)合適的濾光片來(lái)進(jìn)行高光譜顯微鏡檢查。

光譜掃描的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠以任意的順序記錄不同波長(zhǎng)通道的圖像。換句話說(shuō)，人們不必每次都記錄一個(gè)完整的高光譜立方體，而是可以根據(jù)具體的成像目的和情況來(lái)選擇波段。例如，人們可以定期只用一組有限的波長(zhǎng)進(jìn)行操作，只有在某些情況下，如檢測(cè)到某些有趣的物體時(shí)，才用不同的波長(zhǎng)獲取圖像。

空間光譜掃描

空間光譜掃描是空間和光譜掃描之間的一種混合，用一個(gè)二維圖像傳感器進(jìn)行的每一次記錄都代表了高光譜立方體的一個(gè)對(duì)角線切片。雖然傳感器上的一個(gè)空間坐標(biāo)簡(jiǎn)單地對(duì)應(yīng)于一個(gè)空間坐標(biāo)，但第二個(gè)坐標(biāo)是波長(zhǎng)編碼的。要完成高光譜立方體，需要在一個(gè)維度上進(jìn)行掃描。

快照成像

特別是在天文學(xué)的應(yīng)用中，有效利用入射光線是至關(guān)重要的。因此，通過(guò)使用某種快照成像來(lái)避免任何空間或光譜掃描是非常可取的。為了達(dá)到這樣的目的，已經(jīng)開發(fā)了大量不同的技術(shù)方法，并且所有這些方法都導(dǎo)致了相對(duì)復(fù)雜和昂貴的技術(shù)設(shè)置。

僅舉一例，人們可以對(duì)一個(gè)光纖束的輸入端進(jìn)行成像，該光纖束的輸出光纖是沿著一條線排列的。(也有其他的光學(xué)安排可以做這樣的圖像切片。)然后人們可以在垂直于線的方向上分散不同的波長(zhǎng)成分，并將光送到一個(gè)二維圖像傳感器，如果需要大量的像素，也可以送到多個(gè)傳感器。從這個(gè)意義上說(shuō)，其操作原理與上面解釋的線掃描器相當(dāng)相似。然而，人們可以一次性處理一個(gè)完整的圖像。為了有效地收集光線，必須有一個(gè)具有高數(shù)值孔徑的光纖束和高面積比的光纖芯。

雖然所解釋的方法需要復(fù)雜的光學(xué)元件，但它能很自然地提供高光譜立方體數(shù)據(jù)。其他方法已經(jīng)被開發(fā)出來(lái)，其中需要采用復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理算法來(lái)獲得這些數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理和顯示

高光譜成像通常會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)--在沒有額外的儀器功能的情況下，人類觀察者所能捕捉到的數(shù)據(jù)就很少了。為了查看這些數(shù)據(jù)，人們可以采用不同的技術(shù)。

一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是為可變波長(zhǎng)通道顯示單色圖像，例如，人們可以用轉(zhuǎn)盤來(lái)?yè)軇?dòng)這些圖像。

人們可以應(yīng)用假色標(biāo)，但由于顯示器和觀察者眼睛的限制，假色標(biāo)永遠(yuǎn)無(wú)法顯示圖像的全部光譜內(nèi)容。然而，人們可以應(yīng)用更多或更少的復(fù)雜處理技術(shù)，例如，從光學(xué)光譜中提取化學(xué)信息。然后，色標(biāo)顯示化學(xué)而不是光譜信息。

在許多情況下，獲得的圖像數(shù)據(jù)并不經(jīng)常用于觀看，而是用于自動(dòng)處理。

高光譜成像的應(yīng)用

下面將解釋高光譜成像的一些應(yīng)用實(shí)例。

衛(wèi)星上的高光譜儀器被用于從空間進(jìn)行各種地球監(jiān)測(cè)，例如地質(zhì)調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)和軍事監(jiān)視。各種波長(zhǎng)的通道可用于監(jiān)測(cè)植被(如農(nóng)作物)，而其他波長(zhǎng)的通道則可用于探測(cè)礦物、建筑物等。

地球上較小的區(qū)域可以用飛機(jī)和無(wú)人機(jī)上的儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這樣可以提高空間分辨率。其目的可能與衛(wèi)星儀器類似，例如監(jiān)測(cè)農(nóng)作物或競(jìng)爭(zhēng)植物的發(fā)展。

基于空間衛(wèi)星、飛機(jī)或地面的軍事儀器可用于探測(cè)和跟蹤飛機(jī)和導(dǎo)彈。

在農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量控制方面，高光譜成像可以相當(dāng)精確地識(shí)別有問(wèn)題的產(chǎn)品或外來(lái)物質(zhì)，如變質(zhì)的堅(jiān)果或石頭。成像設(shè)備可以與計(jì)算機(jī)結(jié)合，進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，并由執(zhí)行器去除不需要的物體;這種數(shù)字食品分揀機(jī)的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于使用人力。

在天文學(xué)中，高光譜成像通常被稱為三維光譜學(xué)或積分場(chǎng)光譜學(xué)(IFS)。例如，詳細(xì)的光譜信息對(duì)于恒星的分類往往至關(guān)重要。人們大多使用復(fù)雜的技術(shù)進(jìn)行快照成像，以便最有效地利用入射光。對(duì)古代藝術(shù)品的調(diào)查可以從詳細(xì)的光譜信息中獲益，例如，它可以揭示某些材料的使用。

一般來(lái)說(shuō)，高光譜而不僅僅是多光譜數(shù)據(jù)對(duì)獲得各種類型物體的更具體信息是有益的。例如，來(lái)自不同植物的花朵對(duì)人眼來(lái)說(shuō)可能是非常相似的顏色，但通過(guò)高光譜數(shù)據(jù)可以清楚地分辨出來(lái)，因?yàn)楦吖庾V分辨率要高得多。