高光谱成像系统：开启物体识别与分析的新视界

成像系统是人类感知世界的重要工具，而传统的成像系统仅能提供有限的信息，如形状、颜色和纹理等。随着高光谱技术的发展，高光谱成像系统应运而生，它能够捕捉物体在不同波长下的电磁波辐射，从而提供更丰富的信息。

一、Introduction to Hyperspectral Imaging 高光谱成像的介绍

高光谱成像指具有多光谱分辨率的数字图像，每个高光谱图像中的空间点（pixel）包含了一条连续的曲线用于记录不同波段下的光强（light intensity）。如下图所示，红、绿、蓝三条曲线记录了三个pixel分别在不同波段下的值。高光谱图像数据也能理解为堆砌不同波段的图像（stack of images）。

高光谱图像所提供的额外的信息能帮助区分不同物质，这有时在RGB图像中是很难区分的。高光谱已经在遥感、食品检测、分类、医学中取得的成功应用效果。

Resonon Inc. 所研发的高光谱相机均采用的是线扫描式 Line-scan（一次只获得一条线的数据）。这也通常需要一个扫描装置（scanning system）来帮助完成多线的采集而完成一张图像的采样。

为了获取高光谱数据，每个pxiel所反射（或折射）的光被分散为不同的光谱区段光，如下图中的使用棱镜分光。所有pixel（下图中的红色矩阵）分出的光被采样到焦平面阵列上，这种方法的一个好处就是可以同时对不同波段的信号采样。

System Overview 系统概述

工作台主要包括一个高光谱相机、一个线形平移平台（linear translation stage）、装配塔（mounting tower）、灯源（lighting assembly）和软件系统（Spectronon，其中也包括了一些高光谱数据）。

Benchtop System Assembly 工作台组装

4.1 Data Modes 数据类型

Resonon成像系统可以采集三种类型的数据 ：

（1）Raw Data 原始数据

原始数据只经过光谱校准但包括了仪器传感器响应、样本反射率和照明函数，光谱曲线不代表实际数值和物理意义，所以是没有使用价值的，其单位是DIgital Number（DN）。

（2）Radiance 辐射度

通过原始数据的辐射度校准得到，该数据是不包括传感器响应，是照明度和样本反射率的乘积。具有实际物理意义和单位（1 Microfilcks = 每单位弧度每平方厘米1微瓦的表面波长每微米的波长）

（3）Reflectivity / Reflectance 反射率

在这种模式下，不包括仪器传感器响应和照明函数，只是单独的反射率。数据可以通过一下四种方式转化为反射率：

i. White reference

ii. Known spectral refrenence in scene

iii. Downwelling irradiance sensor

iiii. Atmospheric Correction

Advanced Data Acquisition 进阶的数据获取

（1）控制相机

（2）平台控制

（3）其他设置

Basic Data Analysis 基础数据分析

Advanced Data Analysis 进阶数据分析

Advanced Data Analysis2：Hyperspectral Classification 高光谱分类

http://docs.resonon.com/spectronon/SpectrononUserManual/html/HyperspectralClassification.html

**Advanced Data Analysis3: Hyperspectral Vegetation Indices **

Batch Processing 批量处理

Focusing & Calibtration Sheets 对焦和校准

Applendix: Built-in Plugins

Glossary of Hyperspectral Imager Terminology 专业术语

Datacude

两个空间维度和一个光谱维度组成。

Spectral Range

Spectral Channels

波段的数量。

Spectral Resolution

光谱分辨率用于衡量最小的光谱特征（nm为单位），换句话说，这是每个光谱通道的宽度。

Spectral Pixels

采集到的光谱信号中pixels的数量。

Spectral Smapling

等于Spectral Range / Spectral Pixels。通常比spectral resolution更小。

Spatial Channels

在线扫描式中为线的pixels数量

f-number

用于衡量lens度量。

Average RMS Spot Radius

这是对高光谱成像仪分辨率的度量，是整个成像仪光谱范围内的平均值。

Smile (peak to peak)

是与高光谱成像仪相关的光学失真，当来自单个波长的光落在焦平面阵列的不同光谱列（针对不同的空间通道）时会出现。

Keystone (peak to peak)

梯形失真是与高光谱成像仪相关的光学畸变，当来自单个空间位置的光落在焦平面阵列的不同空间行（针对不同光谱通道）上时，就会显示出来。

二、高光谱成像系统的原理

高光谱成像系统主要由高光谱相机和图像处理软件组成。高光谱相机能够捕捉物体在不同波长下的电磁波辐射，生成高光谱图像。图像处理软件通过对高光谱图像的分析，提取出物体的材料和化学成分信息，实现对物体的识别和分析。

三、什么是高光谱？

高光谱成像是一种光谱技术，可在线性空间区域内收集数百张不同波长的图像。 高光谱成像的目的是收集样本中每个像素的光谱，识别物体的过程。

高光谱成像光谱仪

赛斯拜克提供高光谱成像 (HSI) 系统，包括光谱仪、高光谱成像仪、多光谱成像光谱仪以及完整的系统。 我们的仪器在连续光谱上捕获每个图像像素，以寻找物体、检测过程或识别具有精细波长分辨率的材料。 我们的系统涵盖广泛的波长，并测量连续的光谱带。

可见近高光谱成像仪SC230

可见近红外高光谱成像仪,型号为SC230,高灵敏相机和辅助相机配合使用，采集速度≤5s;快速方便的用来分析样品的化学组成、结构、形态和特性等信息，数据采集软件实时获取样品光谱及影像信息，提供SDK便捷易用的二次开发支持。

SC250近红外高光谱成像仪是一款全新设计制造的高光谱成像仪器，内置推扫结构可以快速实现光谱影像的连续采集，在900-1700nm波段具有较高的灵敏度和稳定性，通过辅助相机实现对扫描区域的监控，主机内置电源模块，可实现快速架设完成数据采集作业。全密封式设计可保证在实际使用中不会因为灰尘等影响光谱仪的内部光学元件，确保仪器的长期正常使用。

SC250近红外高光谱成像仪配置标准的信号采集软件，可进行高光谱影像及光谱数据的采集和简单处理，可实时获取样品光谱及影像信息，将扫描结果存储为图像、表格等各种格式，数据可以被多种第三方专业的数据分析软件调用，极大的扩展了仪器的使用范围。广泛应用于食品安全与质量监控/机器视觉、生产过程监控、制药。纸浆和纸检测、生物量/生物燃料过程控制、遥感与分析、光伏和半导体生产、废品回收与分选等领域。

赛斯拜克高光谱和多光谱应用

我们的高光谱成像光谱仪具有广泛的应用，包括：

遥感（空中——无人机、无人机、无人机/或飞机）

半导体中的质量控制检验/光学计量

DNA 测序/毛细管电泳/PCR

通过反射、发射、拉曼、荧光……进行过程监控

显微（测绘、完整的定制解决方案）

高级机器视觉/工业相机

回收（回收工厂的分类和质量控制）

食品和饮料检验

高光谱成像仪

我们的定制赛斯拜克高光谱系统功能：

紫外-近红外（200-1050nm），一次测量超过2048个像素

光谱分辨率＜1nm

空间成像＜40um

空间像素：512或更多

光谱像素：2048

用于推扫式高光谱成像的光谱仪

可定制

快速图像传输 USB 3

超稳定

三、高光谱成像系统的应用领域

环境监测：高光谱成像系统可以用于环境监测，如监测水体污染、大气污染等。通过对污染源的识别和分析，有助于制定相应的治理措施。

生物医学：高光谱成像系统在生物医学领域具有广泛的应用前景，如皮肤癌检测、血液分析等。通过对人体组织的高光谱成像分析，可以实现对疾病的早期诊断和精确治疗。

地质勘探：高光谱成像系统在地质勘探领域也有重要应用，如矿产资源勘查、地形地貌分析等。通过对地质物体的高光谱成像分析，可以更好地理解地质结构和演化过程。

农业监测：农业科学家利用高光谱成像系统监测作物生长状况，分析土壤养分含量和分布情况，为精准农业提供数据支持。

四、高光谱成像系统的未来发展趋势

提高成像分辨率：未来的高光谱成像系统技术将不断提高成像分辨率，从而更好地揭示物体的细节信息。

拓展应用领域：高光谱成像系统技术将逐渐拓展应用领域，如军事侦察、安全监控等。

融合多光谱技术：未来的高光谱成像系统技术将融合多光谱技术，实现多光谱和高光谱数据的协同分析，提高成像质量和分析效果。

高光谱成像系统作为一种新兴的成像技术，具有广泛的应用前景和重要的科学价值。通过对物体在不同波长下的电磁波辐射的捕捉和分析，高光谱成像系统能够揭示物体的细节和本质，为环境监测、生物医学、地质勘探等领域提供有力的支持。随着技术的不断发展，高光谱成像系统将在更多领域得到应用，为人类更好地认识和保护地球环境提供有力支持。