推扫型高光谱系统

推扫型高光谱系统

       推扫型高光谱成像仪其结构由三部分构成：1 ：成像镜头2 ：成像光谱仪3 ：面阵探测器（如CCD 相机）。二维物体的一条线带通过成像镜头成像并通过光谱仪前置狭缝，然后光线经过一组透镜后成为在垂直于狭缝方向上的平行光；该平行光通过光谱仪中的透射光栅在垂直于狭缝方向发生色散，变为在垂直于狭缝方向的随波长展开的单色光；该沿垂直于狭缝方向展开的单色光经过光谱仪的最后一组透镜成像到面阵探测器上。因此面阵单次探测到的是一条狭带物体的光谱，其特点是平行于狭缝方向为狭带物体的灰度分布，而垂直于狭缝方向为像在光谱上的展开。

       因此，如果要完成对二维物体的光谱成像，需要将物体或成像光谱仪沿垂直于狭缝方向做一维扫描，将各个狭带依次成像而后拼接为二维图像。常用的扫描机构有转台，转镜，平移台等。

高光谱成像的基本概念

什么是高光谱？

         在紫外（200-400nm）到可见光- 近红外（400-1000nm），再到红外（900-1700nm，1000-2500nm）波段范围内，能够得到既多又窄的光谱波段，每个波段的数量级在nm 数量级，这就保证了极高的光谱分辨率，从而得到了平滑连续的光谱曲线。

高光谱成像的特点

       高光谱成像的特点是光谱分辨率高、波段连续，能够在紫外到红外大范围内获得多而窄的、波段数达上百个连续光谱，光谱分辨率可达nm 级；“图谱合一”，高光谱获取的不仅是图像空间信息，还包括物体的光谱信息。这些信息表现了物体成分和结构的差异对不同波长光子的选择性吸收和发射。

概念解释

■ 光谱分辨率：探测器在波长方向上的记录带宽，又称为波段宽度（Band-Width）。严格定义为仪器达到光谱响应最大值的50%时的波长宽度。

■ 空间分辨率：对于成像光谱仪，其空间分辨率是由仪器的角分辨力，即瞬时视场角决定的（某一瞬间探测单元对应的瞬时视场）。

■ 视场角（FOV）：扫描过的角度，与成像距离H共同决定了有效成像范围。

■ 有效成像范围：=2H*tan(FOV/2)

■ 光谱采样点：光谱分辨率=光谱范围/通道数（理论上）。如400-1000nm，1040采样通道，即光谱采样点=600/1040=0.57nm/pixel

成像方式

■ 基于滤波片成像：通过连续采集一系列波长条件下的样品二维图像，对应每个波长（λ）就有一幅二维图像，从而得到三维图像块（数据立方体）。

■ 基于推扫型成像：入射狭缝（Entrance Slit）位于准直系统的前焦面上，样品（Target）的入射光经准直光学系统准直后，经过棱镜-光栅-棱镜色散后由成像系统将光能按波长顺序成像在探测器的不同位置上。然后在垂直于狭缝方向使被测物与狭缝实现一维相对运动，得到被测物的二维空间信息与光谱信息。

高光谱数据构成

       高光谱数据是三维的数据立方体结构，有时称为图像块或超级数据立方体（Super Hypercube）。其中的二维信息是图像像素的横纵坐标（x 和y），第三维是波长信息（λ）。

      图像维：与一般的图像相似。

      光谱维：对应高光谱图像的每一个像元，均有一个连续的光谱曲线。

高光谱的优势

       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吸收也不同，在某个特定波长下图像对某个缺陷会有较显著的反映，而光谱信息能充分反映样品内部的物理结构、化学成分的差异。所以，高光谱图像能够反映综合品质。不同物质间千差万别的光谱特征和形态，利用高光谱影像技术可以很精细的得到反映。