高光譜成像指的是先進的光譜成像技術(shù)，在這種技術(shù)中，人們可以為每個圖像像素獲得一個完整的光學(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通道(例如數(shù)百或數(shù)千個)，這些通道在波長或光頻方面通?；蚨嗷蛏偈堑染嗟?，基本上是不重疊的，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)可被視為形成一個高光譜立方體，即一個具有x、y和λ(波長)坐標的三維數(shù)據(jù)集--見圖1。

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

每個波長通道提供一個單色的二維圖像，而人們有一個光學(xué)光譜對應(yīng)于這樣一個圖像的每個點。

與多光譜成像相比，人們通常有大量的波長通道。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的紅外波長--這很難用類似于通常用于高光譜成像儀的圖像傳感器來實現(xiàn)。

對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

對于在圖像傳感器中每個波長通道使用一種類型的光電探測器來說，實現(xiàn)的波長通道數(shù)量通常太大。因此，通常使用其他技術(shù)。

點式掃描

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。在任何特定的時間，人們接收來自某個方向的光，并記錄一個光學(xué)光譜。例如，我們可以使用一種簡單的光譜儀，在一個一維光電二極管陣列前有一個衍射光柵。

一個完整的高光譜圖像需要對所有圖像方向進行二維掃描，通常需要大量的采集時間。而且，對入射光的利用效率很低，很容易出現(xiàn)運動偽影。

盡管該方法允許人們使用相當傳統(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)。它意味著在任何時間點上，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在一個圖像平面上放置一個光學(xué)狹縫來完成的。此外，人們使用一個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不同的波長成分進行空間分離。然后光可以被送到一個二維圖像傳感器(焦平面陣列)，其中一個方向?qū)?yīng)空間坐標，另一個方向?qū)?yīng)波長。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這樣的記錄，所述狹縫的方向不同，或整個成像儀器，或被成像物體的方向不同。例如，飛機或太空衛(wèi)星上的儀器自然是在一個方向上移動，這個方向應(yīng)該是與圖像線的方向垂直的。同樣地，人們可以對正在移動的物體進行成像，例如沿著工廠的傳送帶。在其他情況下，需要一個移動的鏡子或其他種類的掃描光學(xué)器件來進行觀察方向的一維掃描。

與點掃描相比，圖像采集的速度要快得多，而且運動偽影的傾向也會減少。所需的焦平面陣列類型相當簡單;它只需要在感興趣的整個波長范圍內(nèi)表現(xiàn)出足夠高的響應(yīng)性。響應(yīng)性的波長依賴性可以在設(shè)備校準中得到考慮。

然而，輸入光的使用并不十分有效，因為在同一時間只能利用與一條線相對應(yīng)的光。

光譜掃描

人們可以通過將一個可調(diào)諧的光學(xué)帶通濾波器集成到一個相機中來實現(xiàn)高光譜成像。然后一次記錄一個波段的圖像，并將許多這樣的記錄的數(shù)據(jù)合并為一個高光譜立方體。盡管所有圖像方向的光都可以隨時利用，但人們在任何時候都只使用一個小的光譜槽，因此光的使用效率和線掃描一樣低。另外，要實現(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一個波長的，不同波長的多次曝光可以提供一個高光譜圖像。

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

光譜掃描的另一個優(yōu)點是能夠以任意的順序記錄不同波長通道的圖像。換句話說，人們不必每次都記錄一個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選擇波段。例如，人們可以定期只用一組有限的波長進行操作，只有在某些情況下，如檢測到某些有趣的物體時，才用不同的波長獲取圖像。

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，用一個二維圖像傳感器進行的每一次記錄都代表了高光譜立方體的一個對角線切片。雖然傳感器上的一個空間坐標簡單地對應(yīng)于一個空間坐標，但第二個坐標是波長編碼的。要完成高光譜立方體，需要在一個維度上進行掃描。

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，通過使用某種快照成像來避免任何空間或光譜掃描是非?？扇〉?。為了達到這樣的目的，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)致了相對復(fù)雜和昂貴的技術(shù)設(shè)置。

僅舉一例，人們可以對一個光纖束的輸入端進行成像，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成分，并將光送到一個二維圖像傳感器，如果需要大量的像素，也可以送到多個傳感器。從這個意義上說，其操作原理與上面解釋的線掃描器相當相似。然而，人們可以一次性處理一個完整的圖像。為了有效地收集光線，必須有一個具有高數(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，其中需要采用復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理算法來獲得這些數(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)。

一個簡單的方法是為可變波長通道顯示單色圖像，例如，人們可以用轉(zhuǎn)盤來撥動這些圖像。

人們可以應(yīng)用假色標，但由于顯示器和觀察者眼睛的限制，假色標永遠無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)用實例。

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

地球上較小的區(qū)域可以用飛機和無人機上的儀器進行監(jiān)測，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)測農(nóng)作物或競爭植物的發(fā)展。

基于空間衛(wèi)星、飛機或地面的軍事儀器可用于探測和跟蹤飛機和導(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精確地識別有問題的產(chǎn)品或外來物質(zhì)，如變質(zhì)的堅果或石頭。成像設(shè)備可以與計算機結(jié)合，進行復(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)字食品分揀機的效率遠遠高于使用人力。

在天文學(xué)中，高光譜成像通常被稱為三維光譜學(xué)或積分場光譜學(xué)(IFS)。例如，詳細的光譜信息對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)進行快照成像，以便最有效地利用入射光。對古代藝術(shù)品的調(diào)查可以從詳細的光譜信息中獲益，例如，它可以揭示某些材料的使用。

一般來說，高光譜而不僅僅是多光譜數(shù)據(jù)對獲得各種類型物體的更具體信息是有益的。例如，來自不同植物的花朵對人眼來說可能是非常相似的顏色，但通過高光譜數(shù)據(jù)可以清楚地分辨出來，因為高光譜分辨率要高得多。