高光譜成像技術(shù)，顧名思義，是一種能夠捕捉物體光譜信息的成像技術(shù)。與傳統(tǒng)的成像技術(shù)相比，高光譜成像技術(shù)可以獲取更多的光譜信息，從而呈現(xiàn)出更豐富、更精確的圖像。這種技術(shù)利用光譜儀將光譜分解成多個(gè)不同的波長(zhǎng)，進(jìn)而捕捉到超出人類視覺范圍的光譜信息。

高光譜成像技術(shù)是一個(gè)怎樣的高科技

高光譜成像儀作為新一代傳感器，能夠獲取連續(xù)窄波段的光譜信息，從而識(shí)別出具有診斷性波譜的地物?，F(xiàn)有的高光譜傳感器主要是航天高光譜傳感器、航空高光譜傳感器、地面高光譜成像儀及無(wú)人機(jī)載高光譜成像載荷，搭載在包括衛(wèi)星、飛機(jī)、無(wú)人機(jī)和地面工作平臺(tái)等不同高度的遙感平臺(tái)上。

高光譜成像的目標(biāo)是獲得場(chǎng)景圖像中每個(gè)像素的光譜，目的是發(fā)現(xiàn)物體、識(shí)別材料或檢測(cè)過(guò)程。光譜成像儀一般有三個(gè)分類，有推掃式掃描儀和相關(guān)的掃掃式掃描儀（空間掃描），可以隨時(shí)間讀取圖像，帶序列掃描儀（光譜掃描），可以獲取不同波長(zhǎng)區(qū)域的圖像，以及快照高光譜成像，使用凝視陣列在瞬間生成圖像。

形象地說(shuō)，高光譜傳感器將信息收集為一組“圖像”。每個(gè)圖像代表電磁頻譜的一個(gè)狹窄波長(zhǎng)范圍，也稱為光譜帶。這些“圖像”被組合成三維（x，y，λ）高光譜數(shù)據(jù)立方體，用于處理和分析，其中x和y表示場(chǎng)景的兩個(gè)空間維度，λ表示光譜維度（包括一系列波長(zhǎng)）。高光譜圖像的采集和處理也稱為成像光譜學(xué)，或參考高光譜立方體，稱為3D光譜學(xué)。

有許多參數(shù)可以表征獲得的數(shù)據(jù)：

空間分辨率，可以用整個(gè)圖像的像素?cái)?shù)或表面上可分辨的最小平方面積來(lái)描述。如果像素太大，則在同一像素中捕獲多個(gè)對(duì)象，并且難以識(shí)別。如果像素太小，則每個(gè)傳感器單元捕獲的強(qiáng)度較低，降低的信噪比會(huì)降低測(cè)量特征的可靠性。通常，它取決于照相相機(jī)的百萬(wàn)像素?cái)?shù)。

光譜分辨率，定義系統(tǒng)能夠區(qū)分的最小光譜變化。對(duì)于設(shè)備來(lái)說(shuō)，它是所捕獲光譜的每個(gè)頻帶的寬度。如果掃描儀檢測(cè)到大量相當(dāng)窄的頻帶，即使僅在少數(shù)像素中捕捉到物體，也可以識(shí)別物體。

輻射測(cè)量精度，即系統(tǒng)測(cè)量光譜反射率百分比的精度。

光譜成像技術(shù)的介紹

光源發(fā)出包含各個(gè)頻率（不同波長(zhǎng)）的光，這些光照射到物體上，由于物體表面物質(zhì)的物理性質(zhì)導(dǎo)致一部分光被物體表面吸收，另一部分光被反射出去。其機(jī)理是物質(zhì)內(nèi)部不同的分子、原子和離子對(duì)應(yīng)著不同特征分布的能級(jí)，在特定頻率的波譜下產(chǎn)生躍遷，由此引起不同波長(zhǎng)的光譜發(fā)射和吸收，從而產(chǎn)生不同的光譜特征。

圖1 蔬菜葉子在太陽(yáng)光下的簡(jiǎn)單光譜曲線

在同樣條件下，不同物質(zhì)（對(duì)應(yīng)不同的原子、分子或分子基團(tuán)）的光譜特性具有唯一性和一些特性，依據(jù)這些特性就可以對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行分析。

傳統(tǒng)光譜技術(shù)，都是通過(guò)待測(cè)物自發(fā)光或者與光源的相互作用而進(jìn)行分析的物體的，從空間維度上看，傳統(tǒng)光譜技術(shù)大多是針對(duì)一個(gè)單點(diǎn)位置，也就是單點(diǎn)的光譜儀。而光譜成像則是結(jié)合了光譜技術(shù)和成像技術(shù)，將光譜分辨能力和圖形分辨能力相結(jié)合，造就了空間維度上的面光譜分析，也就是現(xiàn)在的多光譜成像和高光譜成像技術(shù)。

1.      多光譜與高光譜

       光譜成像技術(shù)，其本質(zhì)是充分利用了物質(zhì)對(duì)不同電磁波譜的吸收或輻射特性，在普通的二維空間成像的基礎(chǔ)上，增加了一維的光譜信息。成像光譜可以同時(shí)獲取影像信息與像元的光譜信息，根據(jù)光譜分辨率不同介紹下多光譜成像、高光譜成像技術(shù)；

       多光譜技術(shù)（Multispectral）：目標(biāo)物波段數(shù)在3~30之間（通常大于等于3個(gè)）；

       高光譜成像（Hypespectral）：目標(biāo)物波段數(shù)在100~300之間，光譜分辨率一般會(huì)更精細(xì)。

圖2  RGB 成像、多光譜成像和高光譜成像的比較 2

       高光譜成像是一種基于光譜分析的新技術(shù)。它收集數(shù)百幅不同波長(zhǎng)的圖像對(duì)于相同的空間區(qū)域。收集到的數(shù)據(jù)形成一個(gè)所謂的高光譜立方體，通常圖像的橫縱坐標(biāo)分別表示光譜的波長(zhǎng)和光譜強(qiáng)度。該數(shù)據(jù)立方體由沿著光譜軸的以一定光譜分辨率間隔的連續(xù)二維圖像組成。

圖3 光譜立方示意圖

1.      多光譜或高光譜簡(jiǎn)單分類

從光譜信息的獲取方式來(lái)看，高光譜成像主要存在以下兩大類，如圖4：

（1）       基于掃描方法（多次曝光），該方法還可分為3種形式：點(diǎn)掃描、線掃描、譜掃描；

（2）       計(jì)算成像方法（單次曝光的高光譜成像）；

圖4 基于掃描方法與計(jì)算成像方法示意圖 2

1.      高光譜與多光譜的區(qū)別

      很多時(shí)候材料的反射率特征光譜相對(duì)于波長(zhǎng)的變化可能非常復(fù)雜，而其他微小特征使用較粗糙的多光譜成像方法也有可能無(wú)法分辨。

 圖5 多光譜與高光譜區(qū)別示意圖 3

      上圖中使用多光譜成像（左）識(shí)別無(wú)法分辨的物質(zhì)，通過(guò)使用高光譜成像（右）被分辨出來(lái)。其原因是由于高光譜具有更多的光譜頻帶，因此可以通過(guò)更高的光譜分辨率準(zhǔn)確地獲得更復(fù)雜的指紋特征。

      總結(jié)來(lái)說(shuō)，高光譜相對(duì)多光譜有以下優(yōu)勢(shì)：

l  通過(guò)更高光譜分辨率獲得更復(fù)雜、更精準(zhǔn)的光譜特征信息；

l  獲取更豐富的光譜波段信息，應(yīng)用場(chǎng)景更豐富；

l  可用一套硬件根據(jù)應(yīng)用靈活選擇光譜序列，免去系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)的過(guò)程；

1.      高光譜成像技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)

       對(duì)于多種多樣的光譜成像技術(shù)如何評(píng)價(jià)和了解，可以重點(diǎn)關(guān)注空間分辨率、光譜分辨率和準(zhǔn)確率等主要參數(shù)，同時(shí)關(guān)注成像系統(tǒng)在設(shè)計(jì)復(fù)雜度、物理尺寸、系統(tǒng)成本、可量產(chǎn)性、可靠性方面?？偟膩?lái)說(shuō)，就是得到一個(gè)穩(wěn)定可靠的高質(zhì)量的光譜圖像，是整個(gè)技術(shù)的核心。下面簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

空間分辨率（Spatial Resolution）

      空間分辨率是評(píng)價(jià)傳感器性能和圖像的重要指標(biāo)之一，同樣也是用成像像素來(lái)表征空間分辨率，一般分辨率在一百萬(wàn)以下。

光譜分辨率（Spectral Resolution）

       指光譜系統(tǒng)所選用的波段數(shù)多少、各波段的波長(zhǎng)位置、及波長(zhǎng)間隔的大小。即通道數(shù)、中心波長(zhǎng)、帶寬三個(gè)因素共同決定光譜分辨率，可理解為能夠區(qū)分或識(shí)別光譜中各波段光的能力。與光譜儀的分辨能力密切相關(guān)。分得愈細(xì)，波段愈多，光譜分辨率就愈高。

       光譜分辨率是一個(gè)概念，狹義的光譜分辨率僅指波段寬度，如何計(jì)算需要一個(gè)指標(biāo)，半波寬度就是這個(gè)指標(biāo)。

半峰全寬（Full width at half maximum）

      英文簡(jiǎn)稱FWHM，也稱作半高全寬、或半高寬、半波寬。指達(dá)到光譜峰高一半處的光譜寬度。如下圖。半波寬是衡量高光譜成像系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，可表征其對(duì)光譜細(xì)分和區(qū)分的能力。多光譜常見半波寬在10-1λ量級(jí) ，高光譜通常在10-2λ量級(jí)。

 圖6 FWHW示意圖

光譜采樣率

      通俗理解為通道數(shù)，即能獲取的不同中心波長(zhǎng)的波段數(shù)。多光譜常見3-30個(gè) ，高光譜通常在100-300個(gè)。相同條件下，高光譜成像系統(tǒng)支持的通道數(shù)的多少，由光譜調(diào)節(jié)精細(xì)度、靈活度決定。

可靠性

      畢竟光譜信息屬于光與物體相互作用所產(chǎn)生的信息，比較敏感。那么穩(wěn)定性、一致性、抗震動(dòng)等就變得非常重要。有很多的器件隨溫度變化、機(jī)械和時(shí)間變化形成的漂移是成像系統(tǒng)的主要誤差來(lái)源，實(shí)際應(yīng)用中的測(cè)試精度很大依賴于成像系統(tǒng)在此方面的穩(wěn)定性。主要關(guān)注溫度漂移特性、震動(dòng)穩(wěn)定性等。沒有穩(wěn)定一致的物理數(shù)據(jù)采集，要保證基于數(shù)據(jù)的算法運(yùn)行有良好應(yīng)用效果有很大難度。

1.      高光譜主流技術(shù)類型分析

      目前高光譜成像技術(shù)發(fā)展迅速，主流常見的包括光柵分光、聲光可調(diào)諧濾波分光AOTF、液晶光學(xué)濾波LCTF、棱鏡分光、芯片鍍膜、法珀腔MEMS芯片等。下面簡(jiǎn)單介紹現(xiàn)基本原理和差異：

光柵分光

       空間中的一維信息通過(guò)鏡頭和狹縫后，不同波長(zhǎng)的光按照不同程度的彎散傳播，這一維圖像上的每個(gè)點(diǎn)，再通過(guò)光柵進(jìn)行衍射分光，形成一個(gè)譜帶，照射到探測(cè)器上，探測(cè)器上的每個(gè)像素位置和強(qiáng)度表征光譜和強(qiáng)度。一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)譜段，一條線就對(duì)應(yīng)一個(gè)譜面，因此探測(cè)器每次成像是空間一條線上的光譜信息，為了獲得空間二維圖像再通過(guò)機(jī)械推掃，完成整個(gè)平面的圖像和光譜數(shù)據(jù)采集。

棱鏡分光

       入射光通過(guò)棱鏡后被分成不同的方向，然后照射到不同方向的探測(cè)器上進(jìn)行成像。棱鏡分光后，在棱鏡的出射面鍍了不同波段的濾光膜，使得不同方向的探測(cè)器可以采集到不同光譜信息，實(shí)現(xiàn)同時(shí)采集空間及光譜信息。

圖8 棱鏡分光原理圖 6

      由于系統(tǒng)是基于單個(gè)分立器件的，為了保證空間分辨率和光譜分辨率，必須引入物鏡、光闌、準(zhǔn)直器、各類透鏡等光學(xué)器件，同時(shí)必須考慮各種器件之間的聚焦、準(zhǔn)直問(wèn)題，這就導(dǎo)致傳統(tǒng)的系統(tǒng)復(fù)雜度很高、體積較大、成本頗高、應(yīng)用范圍受到極大限制。針對(duì)不同應(yīng)用要求的修改，系統(tǒng)再設(shè)計(jì)復(fù)雜度非常高。目前市場(chǎng)上主要這類系統(tǒng)多為面向科研及大型檢測(cè)單位應(yīng)用。

聲光可調(diào)諧濾波分光(AOTF)

      AOTF由聲光介質(zhì)、換能器和聲終端三部分組成。射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)換能器在聲光介質(zhì)內(nèi)激勵(lì)出超聲波。改變射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率，可以改變AOTF衍射光的波長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)電調(diào)諧波長(zhǎng)的掃描。

圖9 AOTF原理圖 5

    AOTF系統(tǒng)組成：成像物鏡+準(zhǔn)直鏡+偏振片+晶體+偏振片+物鏡+detector，為了保證入射光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)平行鏡之后能夠完全變化成平行光，因此對(duì)前端的物鏡視場(chǎng)角有一定的要求。本技術(shù)的缺陷是無(wú)法做大尺寸，目前可看到的只是單點(diǎn)的光譜儀。

液晶光學(xué)濾波（LCTF）

     LCTF濾光型光譜成像技術(shù)特征是：施加不同的電壓，調(diào)節(jié)雙折射液晶造成的相位差，從而使不同波長(zhǎng)的光發(fā)生干涉，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長(zhǎng)的連續(xù)可調(diào)性掃描?；窘Y(jié)構(gòu)如下：

圖10 LCTF結(jié)構(gòu)圖 6

LCTF的液晶對(duì)外界的環(huán)境溫度非常敏感，造成溫漂，使檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)，另外的缺陷就是成本高，無(wú)法降低，至今從研究成果和已推出市場(chǎng)的產(chǎn)品看，技術(shù)路線不是太樂(lè)觀。

芯片鍍膜

      歐洲微電子研究中心IMEC在這方面投入了大量的研究，采用高靈敏CCD芯片及SCMOS芯片研制了一種新的高光譜成像技術(shù)，在探測(cè)器的像元上分別鍍不同波段的濾波膜實(shí)現(xiàn)高光譜成像。如圖所示

圖11 4x4濾光片陣列拼接的馬賽克鍍膜示意圖 6

        該方式在CMOS表面鍍膜，對(duì)應(yīng)帶來(lái)的限制空間解析度較多低，要求每個(gè)鍍膜高度一致性，那么芯片生產(chǎn)工藝要求高，對(duì)批量生產(chǎn)有很大挑戰(zhàn)。也因?yàn)闊o(wú)法全光譜連續(xù)可調(diào)，在應(yīng)用場(chǎng)景不靈活，會(huì)有一定的限制，一般可作定性。

法珀腔MEMS芯片

       法布里-珀羅干涉儀簡(jiǎn)稱FPI或法珀腔，是一種由兩塊平行的玻璃板組成的多光束干涉儀。特性為當(dāng)入射光的頻率滿足其共振條件時(shí)，其透射頻譜會(huì)出現(xiàn)很高的峰值，對(duì)應(yīng)著很高的透射率。

圖12 Fabry-Perot Interferometer

        基于法布里珀羅腔體原理設(shè)計(jì)，結(jié)合MEMS芯片微加工工藝及成熟的圖像傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高光譜成像，能快速實(shí)現(xiàn)寬光譜輸入，特定光譜選通輸出，完成不同光譜圖像信息采集。此種方式與現(xiàn)有器件產(chǎn)業(yè)鏈及模組工藝很好地結(jié)合，同時(shí)擁有這種MEMS器件尺寸極小、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)，適合大批量生產(chǎn)。當(dāng)然這種方式目前全世界只有個(gè)別的研究所和公司在研究，技術(shù)門檻高。

圖13 基于法珀腔MEMS芯片的高光譜原理

高光譜成像技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，高光譜成像技術(shù)通過(guò)對(duì)農(nóng)作物的高光譜圖像進(jìn)行分析，我們可以了解植物的生長(zhǎng)狀態(tài)、土壤的營(yíng)養(yǎng)狀況、病蟲害的存在等。這些信息能夠幫助農(nóng)民提前探測(cè)并診斷作物的問(wèn)題，從而及時(shí)采取相應(yīng)的措施，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，高光譜成像技術(shù)通過(guò)對(duì)城市、森林、湖泊等地區(qū)進(jìn)行高光譜成像，我們可以分析出大氣污染物、水質(zhì)變化、植被覆蓋度等信息。這有助于監(jiān)測(cè)環(huán)境污染程度，提前發(fā)現(xiàn)并及時(shí)處理潛在的環(huán)境問(wèn)題，保護(hù)我們的地球。

在在醫(yī)學(xué)診斷和生命科學(xué)研究領(lǐng)域，高光譜成像技術(shù)夠提供大量的生物組織或細(xì)胞的光譜信息，從而幫助醫(yī)生進(jìn)行早期疾病檢測(cè)和診斷。例如，通過(guò)高光譜成像可以檢測(cè)出癌癥細(xì)胞與正常細(xì)胞的光譜差異，從而實(shí)現(xiàn)早期癌癥的診斷和治療。

在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，高光譜成像技術(shù)也有著不可替代的作用。例如，在監(jiān)測(cè)水污染方面，高光譜成像技術(shù)可以捕捉到不同污染物在不同光譜段的吸收和反射信息，從而可以更準(zhǔn)確地判斷污染物的種類和濃度。此外，在大氣污染監(jiān)測(cè)、土地利用調(diào)查等方面，高光譜成像技術(shù)也有著出色的表現(xiàn)。

在軍事偵察領(lǐng)域，高光譜成像技術(shù)同樣具有重要的意義。由于高光譜成像技術(shù)可以在夜間和惡劣的天氣條件下捕捉到更多的信息，因此它可以用于偵察敵方目標(biāo)，提高軍事行動(dòng)的效率和安全性。此外，高光譜成像技術(shù)還可以用于軍事領(lǐng)域的其他方面，如地形測(cè)繪、資源調(diào)查等。

在礦物勘探領(lǐng)域，高光譜成像技術(shù)也成為了一種重要的探測(cè)手段。由于不同礦物在不同光譜段的吸收和反射信息不同，因此高光譜成像技術(shù)可以捕捉到這些差異，從而實(shí)現(xiàn)礦物的快速、準(zhǔn)確勘探。

高光譜成像技術(shù)的應(yīng)用案例

在水果和蔬菜檢測(cè)方面的應(yīng)用

02

在谷物和谷物成分分析領(lǐng)域中的應(yīng)用

高光譜成像技術(shù)已成功應(yīng)用在谷物和谷物成分分析領(lǐng)域中。這一技術(shù)已是實(shí)時(shí)評(píng)估和分揀的核心部分。HSI不僅可以提供出：尺寸、形狀、顏色等參數(shù)。同時(shí)，還可以評(píng)估出影響食物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的參數(shù)，比如：油脂、含水率、蛋白質(zhì)等，甚至是否含有致病物質(zhì)。而且，還可以分選出遭受霉菌毒素、黃曲霉毒素、寄生蟲侵害的谷類。

03

在檢查家禽、魚肉類的領(lǐng)域中的應(yīng)用

由于魚肉類的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高，但它們?nèi)菀资艿轿⑸镂廴?，因此可能?huì)危害消費(fèi)者健康。而高光譜成像技術(shù)是一種快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于牛肉、豬肉以及魚肉監(jiān)測(cè)中。該技術(shù)可用來(lái)衡量高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值魚類生產(chǎn)線上，魚肉的鮮度、貯存條件和時(shí)間，也可以檢測(cè)氨基酸和脂肪酸，脂類物質(zhì)是否氧化，是否含有污血及霉菌等。

04

其他方面應(yīng)用

• 文物檢測(cè)

文物高光譜掃描成像系統(tǒng)（HS-VN-CR (380-2500)）是中科譜光團(tuán)隊(duì)為故宮文物醫(yī)院研發(fā)的目前世界上最大的一臺(tái)針對(duì)文物檢測(cè)的高光譜掃描成像系統(tǒng)，包括高光譜掃描成像儀和文物高光譜圖像分析軟件，是為文物鑒定和保護(hù)提供光譜數(shù)據(jù)服務(wù)的專用設(shè)備，在文物數(shù)字化存檔、文物診斷與修復(fù)等方面發(fā)揮了重要作用。

• 物證檢測(cè)

物證高光譜成像儀（HS-VN-PE (330-1050)）是中科譜光團(tuán)隊(duì)為上海司法鑒定科學(xué)研究院定制的一款物證檢測(cè)智能設(shè)備，該產(chǎn)品能夠無(wú)接觸、無(wú)損、準(zhǔn)確快速采集目標(biāo)光譜影像，可自動(dòng)檢測(cè)指紋、體液、毛發(fā)、皮屑等生物特征，也可用于現(xiàn)場(chǎng)快速文檢，識(shí)別文件涂改、覆蓋等物證信息，為公安人員提升物證現(xiàn)場(chǎng)采集能力、提高辦案效率提供了強(qiáng)有力的高科技手段。

· 工業(yè)質(zhì)量控制--高光譜成像可檢測(cè)生產(chǎn)線上的異物；

· 醫(yī)學(xué)--高光譜成像在醫(yī)學(xué)中有廣泛的應(yīng)用，可區(qū)分不同類型組織中異常血流或氧氣供應(yīng)；

· 回收--紅外高光譜成像可以區(qū)分不同類型的塑料，有助于廢棄塑料回收。

一套完整的桌面式高光譜掃描方案，包括: 光譜相機(jī)、掃描臺(tái)、樣品架、照明系統(tǒng)、聚焦目標(biāo)、數(shù)據(jù)采集和分析軟件等。

高光譜成像技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用展望

高光譜成像技術(shù)作為一種新興的成像方式，正在逐漸改變著我們對(duì)世界的觀察和認(rèn)知。隨著高光譜成像技術(shù)的不斷發(fā)展，它將在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為人類生活帶來(lái)更多便利和創(chuàng)新。