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不同的波長，進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人機載高光譜成像載荷，搭載在包括衛(wèi)星、飛機、無人機和地面工作平臺等不同高度的遙感平臺上。

高光譜成像的目標是獲得場景圖像中每個像素的光譜，目的是發(fā)現(xiàn)物體、識別材料或檢測過程。光譜成像儀一般有三個分類，有推掃式掃描儀和相關(guān)的掃掃式掃描儀（空間掃描），可以隨時間讀取圖像，帶序列掃描儀（光譜掃描），可以獲取不同波長區(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，高光譜傳感器將信息收集為一組“圖像”。每個圖像代表電磁頻譜的一個狹窄波長范圍，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表示場景的兩個空間維度，λ表示光譜維度（包括一系列波長）。高光譜圖像的采集和處理也稱為成像光譜學，或參考高光譜立方體，稱為3D光譜學。

有許多參數(shù)可以表征獲得的數(shù)據(jù)：

空間分辨率，可以用整個圖像的像素數(shù)或表面上可分辨的最小平方面積來描述。如果像素太大，則在同一像素中捕獲多個對象，并且難以識別。如果像素太小，則每個傳感器單元捕獲的強度較低，降低的信噪比會降低測量特征的可靠性。通常，它取決于照相相機的百萬像素數(shù)。

光譜分辨率，定義系統(tǒng)能夠區(qū)分的最小光譜變化。對于設備來說，它是所捕獲光譜的每個頻帶的寬度。如果掃描儀檢測到大量相當窄的頻帶，即使僅在少數(shù)像素中捕捉到物體，也可以識別物體。

輻射測量精度，即系統(tǒng)測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)出包含各個頻率（不同波長）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)導致一部分光被物體表面吸收，另一部分光被反射出去。其機理是物質(zhì)內(nèi)部不同的分子、原子和離子對應著不同特征分布的能級，在特定頻率的波譜下產(chǎn)生躍遷，由此引起不同波長的光譜發(fā)射和吸收，從而產(chǎn)生不同的光譜特征。

圖1 蔬菜葉子在太陽光下的簡單光譜曲線

在同樣條件下，不同物質(zhì)（對應不同的原子、分子或分子基團）的光譜特性具有唯一性和一些特性，依據(jù)這些特性就可以對被測物體進行分析。

傳統(tǒng)光譜技術(shù)，都是通過待測物自發(fā)光或者與光源的相互作用而進行分析的物體的，從空間維度上看，傳統(tǒng)光譜技術(shù)大多是針對一個單點位置，也就是單點的光譜儀。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上，增加了一維的光譜信息。成像光譜可以同時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）：目標物波段數(shù)在3~30之間（通常大于等于3個）；

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

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)百幅不同波長的圖像對于相同的空間區(qū)域。收集到的數(shù)據(jù)形成一個所謂的高光譜立方體，通常圖像的橫縱坐標分別表示光譜的波長和光譜強度。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.      多光譜或高光譜簡單分類

從光譜信息的獲取方式來看，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：點掃描、線掃描、譜掃描；

（2）       計算成像方法（單次曝光的高光譜成像）；

圖4 基于掃描方法與計算成像方法示意圖 2

1.      高光譜與多光譜的區(qū)別

      很多時候材料的反射率特征光譜相對于波長的變化可能非常復雜，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。

 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確地獲得更復雜的指紋特征。

      總結(jié)來說，高光譜相對多光譜有以下優(yōu)勢：

l  通過更高光譜分辨率獲得更復雜、更精準的光譜特征信息；

l  獲取更豐富的光譜波段信息，應用場景更豐富；

l  可用一套硬件根據(jù)應用靈活選擇光譜序列，免去系統(tǒng)重新設計的過程；

1.      高光譜成像技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)

       對于多種多樣的光譜成像技術(shù)如何評價和了解，可以重點關(guān)注空間分辨率、光譜分辨率和準確率等主要參數(shù)，同時關(guān)注成像系統(tǒng)在設計復雜度、物理尺寸、系統(tǒng)成本、可量產(chǎn)性、可靠性方面?？偟膩碚f，就是得到一個穩(wěn)定可靠的高質(zhì)量的光譜圖像，是整個技術(shù)的核心。下面簡單介紹幾個關(guān)鍵參數(shù)。

空間分辨率（Spatial Resolution）

      空間分辨率是評價傳感器性能和圖像的重要指標之一，同樣也是用成像像素來表征空間分辨率，一般分辨率在一百萬以下。

光譜分辨率（Spectral Resolution）

       指光譜系統(tǒng)所選用的波段數(shù)多少、各波段的波長位置、及波長間隔的大小。即通道數(shù)、中心波長、帶寬三個因素共同決定光譜分辨率，可理解為能夠區(qū)分或識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，波段愈多，光譜分辨率就愈高。

       光譜分辨率是一個概念，狹義的光譜分辨率僅指波段寬度，如何計算需要一個指標，半波寬度就是這個指標。

半峰全寬（Full width at half maximum）

      英文簡稱FWHM，也稱作半高全寬、或半高寬、半波寬。指達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)的一個關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，可表征其對光譜細分和區(qū)分的能力。多光譜常見半波寬在10-1λ量級 ，高光譜通常在10-2λ量級。

 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的波段數(shù)。多光譜常見3-30個 ，高光譜通常在100-300個。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、抗震動等就變得非常重要。有很多的器件隨溫度變化、機械和時間變化形成的漂移是成像系統(tǒng)的主要誤差來源，實際應用中的測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)的算法運行有良好應用效果有很大難度。

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、液晶光學濾波LCTF、棱鏡分光、芯片鍍膜、法珀腔MEMS芯片等。下面簡單介紹現(xiàn)基本原理和差異：

光柵分光

       空間中的一維信息通過鏡頭和狹縫后，不同波長的光按照不同程度的彎散傳播，這一維圖像上的每個點，再通過光柵進行衍射分光，形成一個譜帶，照射到探測器上，探測器上的每個像素位置和強度表征光譜和強度。一個點對應一個譜段，一條線就對應一個譜面，因此探測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機械推掃，完成整個平面的圖像和光譜數(shù)據(jù)采集。

棱鏡分光

       入射光通過棱鏡后被分成不同的方向，然后照射到不同方向的探測器上進行成像。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器可以采集到不同光譜信息，實現(xiàn)同時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、準直器、各類透鏡等光學器件，同時必須考慮各種器件之間的聚焦、準直問題，這就導致傳統(tǒng)的系統(tǒng)復雜度很高、體積較大、成本頗高、應用范圍受到極大限制。針對不同應用要求的修改，系統(tǒng)再設計復雜度非常高。目前市場上主要這類系統(tǒng)多為面向科研及大型檢測單位應用。

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)動信號通過換能器在聲光介質(zhì)內(nèi)激勵出超聲波。改變射頻驅(qū)動信號的頻率，可以改變AOTF衍射光的波長，從而實現(xiàn)電調(diào)諧波長的掃描。

圖9 AOTF原理圖 5

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

液晶光學濾波（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，從而使不同波長的光發(fā)生干涉，實現(xiàn)對不同波長的連續(xù)可調(diào)性掃描?；窘Y(jié)構(gòu)如下：

圖10 LCTF結(jié)構(gòu)圖 6

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

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)，在探測器的像元上分別鍍不同波段的濾波膜實現(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，對應帶來的限制空間解析度較多低，要求每個鍍膜高度一致性，那么芯片生產(chǎn)工藝要求高，對批量生產(chǎn)有很大挑戰(zhàn)。也因為無法全光譜連續(xù)可調(diào)，在應用場景不靈活，會有一定的限制，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。特性為當入射光的頻率滿足其共振條件時，其透射頻譜會出現(xiàn)很高的峰值，對應著很高的透射率。

圖12 Fabry-Perot Interferometer

        基于法布里珀羅腔體原理設計，結(jié)合MEMS芯片微加工工藝及成熟的圖像傳感器技術(shù)實現(xiàn)的高光譜成像，能快速實現(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，同時擁有這種MEMS器件尺寸極小、性價比高的優(yōu)點，適合大批量生產(chǎn)。當然這種方式目前全世界只有個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)的應用領域

在農(nóng)業(yè)領域，高光譜成像技術(shù)通過對農(nóng)作物的高光譜圖像進行分析，我們可以了解植物的生長狀態(tài)、土壤的營養(yǎng)狀況、病蟲害的存在等。這些信息能夠幫助農(nóng)民提前探測并診斷作物的問題，從而及時采取相應的措施，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

在環(huán)境監(jiān)測領域，高光譜成像技術(shù)通過對城市、森林、湖泊等地區(qū)進行高光譜成像，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)測環(huán)境污染程度，提前發(fā)現(xiàn)并及時處理潛在的環(huán)境問題，保護我們的地球。

在在醫(yī)學診斷和生命科學研究領域，高光譜成像技術(shù)夠提供大量的生物組織或細胞的光譜信息，從而幫助醫(yī)生進行早期疾病檢測和診斷。例如，通過高光譜成像可以檢測出癌癥細胞與正常細胞的光譜差異，從而實現(xiàn)早期癌癥的診斷和治療。

在環(huán)境監(jiān)測領域，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，從而可以更準確地判斷污染物的種類和濃度。此外，在大氣污染監(jiān)測、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，提高軍事行動的效率和安全性。此外，高光譜成像技術(shù)還可以用于軍事領域的其他方面，如地形測繪、資源調(diào)查等。

在礦物勘探領域，高光譜成像技術(shù)也成為了一種重要的探測手段。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，從而實現(xiàn)礦物的快速、準確勘探。

高光譜成像技術(shù)的應用案例

在水果和蔬菜檢測方面的應用

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在谷物和谷物成分分析領域中的應用

高光譜成像技術(shù)已成功應用在谷物和谷物成分分析領域中。這一技術(shù)已是實時評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，還可以評估出影響食物的營養(yǎng)價值的參數(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。

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在檢查家禽、魚肉類的領域中的應用

由于魚肉類的營養(yǎng)價值較高，但它們?nèi)菀资艿轿⑸镂廴?，因此可能會危害消費者健康。而高光譜成像技術(shù)是一種快速、準確的檢測技術(shù)，已廣泛應用于牛肉、豬肉以及魚肉監(jiān)測中。該技術(shù)可用來衡量高營養(yǎng)價值魚類生產(chǎn)線上，魚肉的鮮度、貯存條件和時間，也可以檢測氨基酸和脂肪酸，脂類物質(zhì)是否氧化，是否含有污血及霉菌等。

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其他方面應用

• 文物檢測

文物高光譜掃描成像系統(tǒng)（HS-VN-CR (380-2500)）是中科譜光團隊為故宮文物醫(yī)院研發(fā)的目前世界上最大的一臺針對文物檢測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提供光譜數(shù)據(jù)服務的專用設備，在文物數(shù)字化存檔、文物診斷與修復等方面發(fā)揮了重要作用。

• 物證檢測

物證高光譜成像儀（HS-VN-PE (330-1050)）是中科譜光團隊為上海司法鑒定科學研究院定制的一款物證檢測智能設備，該產(chǎn)品能夠無接觸、無損、準確快速采集目標光譜影像，可自動檢測指紋、體液、毛發(fā)、皮屑等生物特征，也可用于現(xiàn)場快速文檢，識別文件涂改、覆蓋等物證信息，為公安人員提升物證現(xiàn)場采集能力、提高辦案效率提供了強有力的高科技手段。

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

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

· 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、掃描臺、樣品架、照明系統(tǒng)、聚焦目標、數(shù)據(jù)采集和分析軟件等。

高光譜成像技術(shù)發(fā)展趨勢與應用展望

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世界的觀察和認知。隨著高光譜成像技術(shù)的不斷發(fā)展，它將在更多領域得到廣泛應用，為人類生活帶來更多便利和創(chuàng)新。