讀懂光譜、多光譜、高光譜技術(shù)
更新時(shí)間：2025-02-26 點(diǎn)擊次數(shù)：1361
光譜分析作為自然科學(xué)分析的重要手段，光譜技術(shù)常常用來檢測物體的物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分等指標(biāo)。
傳統(tǒng)光譜分析，都是通過待測物自發(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)光譜分析大多是針對一個單點(diǎn)位置。而圖像光譜測量則是結(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)。
今天我們就來討論光譜、多光譜和高光譜之間的區(qū)別？
光譜（Spectrum） ：是復(fù)色光經(jīng)過色散系統(tǒng)（如棱鏡、光柵）分光后，被色散分離成的單色光，通過成像系統(tǒng)，投射在探測器上成為按波長（或頻率）大小依次排列的圖案，既稱為光學(xué)頻譜。
海洋光學(xué)的光譜儀正是基于這樣的原理設(shè)計(jì)制造的。
光波根據(jù)波長不同，又有不同的稱謂：波長處于380和780nm之間的光波稱為可見光，短于380nm的稱之為紫外光；而長于780nm的則為紅外光（紅外光又分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外等等）。多光譜技術(shù)（Multispectral）：是指能同時(shí)獲取多個光學(xué)頻譜波段（通常大于等于3個），并在可見光的基礎(chǔ)上向紅外光和紫外光兩個方向擴(kuò)展的光譜探測技術(shù)。常見實(shí)現(xiàn)方法是通過各種濾光片或分光器與多種感光膠片的組合，使其在同一時(shí)刻分別接收同一目標(biāo)在不同窄光譜波段范圍內(nèi)輻射或反射的光信號，得到目標(biāo)在幾張不同光譜帶的照片。 身邊最常見的多光譜照片是彩色相機(jī)拍攝的照片，如下圖，從頻譜上看，其包含了紅色（1），綠色（2）和藍(lán)色（3）三個光學(xué)頻譜波段的信息。如果在相機(jī)或者探測器上，增加更多的頻帶如頻帶（4）和（5），就可以獲得一個含多個頻帶的多光譜照片了。
多光譜技術(shù)結(jié)合成像硬件，即可圖像形式呈現(xiàn)多光譜信息。 當(dāng)然也可以僅使用探測器進(jìn)行單個空間點(diǎn)位的光譜信息獲取。海洋光學(xué)旗下品牌Pixelteq芯片濾光技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在9*9cm的芯片上獲取8個通道的光譜信息，特別適用于空間和成本要求應(yīng)用場合。高光譜成像（Hypespectral）：是一種可以捕獲和分析一片空間區(qū)域內(nèi)逐點(diǎn)上光譜的精細(xì)技術(shù)，由于可以檢測到單個對象不同空間位置上的光譜“特征"因此可以檢測到在視覺上無法區(qū)分的物質(zhì)。高光譜示例：圖像由更窄的波段（10-20 nm）組成。高光譜圖像可能有數(shù)百或數(shù)千個波段。 物體與光源的光相互作用并被非成像光譜分析設(shè)備（比如光譜儀）接收后，設(shè)備可以精確地反應(yīng)出接收到的光信號在光譜頻帶上分布的強(qiáng)度差異也就是光譜信息。
而使用高光譜設(shè)備時(shí)，從成像特性角度看，可以了解到樣品各個位置的光譜信息，從光譜特性角度看，可以了解在特定光譜帶內(nèi)的信號位置分布，也就是說，高光譜設(shè)備可以獲取更加豐富的細(xì)節(jié)信息。 例如：人眼只能接收三個光譜頻段中物體的光能量信號：紅色，綠色和藍(lán)色。也就是我們常稱的發(fā)光三原色，但是事實(shí)上我們能夠看到由這三種顏色的組合產(chǎn)生的橙色，紫色，青綠色等等的更細(xì)微的色彩。但是，我們并不不能區(qū)分純黃色和紅綠二色的混合色的差異，這也稱之為“同色異譜"。但是高光譜成像卻可以輕松分辨其中的區(qū)別。上圖，兩種黃色，一種是“純色"，另一種是紅色和綠色的混合物，在視覺上可能無法區(qū)分，但由于它們的光譜差異，使用光譜設(shè)備卻可以將其區(qū)分。
我們在進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)候，使用光譜儀得到的數(shù)據(jù)代表在整個被探測范圍內(nèi)同入射光源相互作用的所有分子發(fā)出的光的平均值；而使用多光譜設(shè)備可以獲取被探測范圍內(nèi)各點(diǎn)在幾個特定頻帶上樣品信息。因此，這兩種設(shè)備均無法提供單個區(qū)域內(nèi)非常精細(xì)的樣品信息。 高光譜成像儀（HSI）可以類比為數(shù)百或數(shù)千個單點(diǎn)光譜儀緊密的排在一起并同時(shí)關(guān)注一片區(qū)域，每個光譜儀都獨(dú)立工作，并獲取自己所在位置的光譜信息。從HSI輸出的數(shù)據(jù)是圖片，或者視頻流，這些圖片或者視頻中的每個像素都有自己的光譜，并且每一張光譜都包含數(shù)百個光譜頻帶。 高光譜成像技術(shù)的這種“全光譜"功能讓人們可以看到一個場景中每一個可分辨的空間位置上的光譜信號，即得到了更多維度的信息。因此高光譜成像的應(yīng)用場景很豐富，其中包括藝術(shù)品鑒別，農(nóng)作物健康，海岸線測繪，森林，礦物勘探，城市和工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，生產(chǎn)線產(chǎn)品質(zhì)量，環(huán)境監(jiān)控等等。上圖：頻譜線掃描采集的示意圖，其中λ代表波長，x和y 代表像素空間位置，t =隨時(shí)間的采集。下圖：在傳感器（焦平面陣列（FPA））所在的焦平面上的狹縫圖像和風(fēng)光后的光譜信息。很多時(shí)候材料的反射率特征光譜相對于波長的變化可能非常復(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法分辨。上圖中使用多光譜成像（左）識別無法分辨的物質(zhì)，通過使用高光譜成像（右）被分辨出來。其原因是由于高光譜具有更多的光譜頻帶，因此可以通過更高的光譜分辨率準(zhǔn)確地獲得更復(fù)雜的指紋特征。 高光譜成像主要用于測量光與物質(zhì)相互作用后的反射光，因此也是一種表面測量技術(shù)。Headwall的Hyperspec®HSI屬于線掃描設(shè)備，可通過稱為儀器狹縫的狹長入光口觀察場景。狹縫一次捕獲一行場景，并通過傳感器獲取對應(yīng)一行場景中每個點(diǎn)的光譜信息。通過將儀器狹縫瞄準(zhǔn)到感興趣的區(qū)域，或?qū)⒁苿游矬w掃過儀器的前面（例如，裝有產(chǎn)品的傳送帶），進(jìn)而可以對整個場景進(jìn)行成像，并獲取整個場景內(nèi)逐個點(diǎn)的光譜信息。 在室外使用高光譜成像儀（HSI）時(shí)，太陽作為照亮感興趣區(qū)域或物體的寬光譜光源。HSI通常裝在無人飛行器（UAV）和有人駕駛飛機(jī)上以掃描大面積區(qū)域，或者安裝在帶有旋轉(zhuǎn)平臺的三腳架或其他堅(jiān)固的地面支架上進(jìn)行靜態(tài)掃描。在室內(nèi)使用高光譜傳感器時(shí)，則需要使用人造寬光譜光源，例如鹵鎢燈，并且需要同時(shí)使用將傳感器掃過樣品或樣品掃過傳感器的方法獲取數(shù)據(jù)。
Headwall高光譜成像系統(tǒng)的核心是使用一個高質(zhì)量的全息衍射光柵，該光柵和其他成像光學(xué)元件共同形成獲取光譜（中心位置圖片）。從左上角開始開始順時(shí)針方向的圖片分別為：用于航空遙感的高光譜成像系統(tǒng)集成在輕型無人機(jī)上測成像系統(tǒng)；安裝在三腳架頂部的地面可見到近紅外高光譜成像系統(tǒng)；以及用于對實(shí)驗(yàn)室臺式小樣品進(jìn)行高光譜成像的掃描套件。
高光譜設(shè)備可以檢測人眼不可見的紅外特定油漆或染料。同樣，相比于多光譜系統(tǒng)，60或300波段的HSI系統(tǒng)可以提供更豐富的材料反射光譜信息，以實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的物質(zhì)表征檢測。如下圖即為實(shí)驗(yàn)室中將一片新鮮動物組織放置于傳送帶上使用高光譜成像儀所獲取的圖像和光譜信息：（a）組織樣品上被標(biāo)記的純脂肪區(qū)域，大理石花紋和純瘦肉部分的區(qū)域；（b）標(biāo)記在（a）圖不同區(qū)域的光譜圖。此外我們還可以提供直觀的軟件程序?qū)哂泄庾V特征的不同物質(zhì)進(jìn)行成像分析、分類和可視化。無論這些數(shù)據(jù)是從空中、地面上還是在實(shí)驗(yàn)室獲得，您都可以在計(jì)算機(jī)屏幕上看到那些可能不能夠用眼睛分辨的細(xì)節(jié)。
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