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)：762
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(lái)檢測(cè)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(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)光譜分析大多是針對(duì)一個(gè)單點(diǎn)位置。而圖像光譜測(cè)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(lái)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(guò)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(guò)成像系統(tǒng)，投射在探測(cè)器上成為按波長(zhǎng)（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(zhǎng)不同，又有不同的稱謂：波長(zhǎng)處于380和780nm之間的光波稱為可見(jiàn)光，短于380nm的稱之為紫外光；而長(zhǎng)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(gè)光學(xué)頻譜波段（通常大于等于3個(gè)），并在可見(jiàn)光的基礎(chǔ)上向紅外光和紫外光兩個(gè)方向擴(kuò)展的光譜探測(cè)技術(shù)。常見(jiàn)實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)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(hào)，得到目標(biāo)在幾張不同光譜帶的照片。 身邊最常見(jiàn)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(gè)光學(xué)頻譜波段的信息。如果在相機(jī)或者探測(cè)器上，增加更多的頻帶如頻帶（4）和（5），就可以獲得一個(gè)含多個(gè)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(cè)器進(jìn)行單個(gè)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(gè)通道的光譜信息，特別適用于空間和成本要求應(yīng)用場(chǎng)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(cè)到單個(gè)對(duì)象不同空間位置上的光譜“特征"因此可以檢測(cè)到在視覺(jué)上無(wú)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(gè)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(hào)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(gè)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(hào)位置分布，也就是說(shuō)，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(gè)光譜頻段中物體的光能量信號(hào)：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(jué)上可能無(wú)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?cè)谶M(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(gè)被探測(cè)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(cè)范圍內(nèi)各點(diǎn)在幾個(gè)特定頻帶上樣品信息。因此，這兩種設(shè)備均無(wú)法提供單個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)像素都有自己的光譜，并且每一張光譜都包含數(shù)百個(gè)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(gè)場(chǎng)景中每一個(gè)可分辨的空間位置上的光譜信號(hào)，即得到了更多維度的信息。因此高光譜成像的應(yīng)用場(chǎng)景很豐富，其中包括藝術(shù)品鑒別，農(nóng)作物健康，海岸線測(cè)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(zhǎng)，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(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。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。 高光譜成像主要用于測(cè)量光與物質(zhì)相互作用后的反射光，因此也是一種表面測(cè)量技術(shù)。Headwall的Hyperspec®HSI屬于線掃描設(shè)備，可通過(guò)稱為儀器狹縫的狹長(zhǎng)入光口觀察場(chǎng)景。狹縫一次捕獲一行場(chǎng)景，并通過(guò)傳感器獲取對(duì)應(yīng)一行場(chǎng)景中每個(gè)點(diǎn)的光譜信息。通過(guò)將儀器狹縫瞄準(zhǔn)到感興趣的區(qū)域，或?qū)⒁苿?dòng)物體掃過(guò)儀器的前面（例如，裝有產(chǎn)品的傳送帶），進(jìn)而可以對(duì)整個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行成像，并獲取整個(gè)場(chǎng)景內(nèi)逐個(gè)點(diǎn)的光譜信息。 在室外使用高光譜成像儀（HSI）時(shí)，太陽(yáng)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(wú)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(tái)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(guò)樣品或樣品掃過(guò)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(gè)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(kāi)始開(kāi)始順時(shí)針?lè)较虻膱D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(wú)人機(jī)上測(cè)成像系統(tǒng)；安裝在三腳架頂部的地面可見(jiàn)到近紅外高光譜成像系統(tǒng)；以及用于對(duì)實(shí)驗(yàn)室臺(tái)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(cè)人眼不可見(jiàn)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(cè)。如下圖即為實(shí)驗(yàn)室中將一片新鮮動(dòng)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(wú)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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