高光谱成像技术原理是什么？

高光谱成像技术是一种新型的无损检测技术，为工业分选、精准农业、色差检测、食品检测、医学制药、文物保护、刑侦检测、环境监测德国提供可靠的技术手段。本文主要介绍了高光谱成像技术的基本原理。

高光谱成像技术的结构

高光谱成像系统主要由光源、CCD摄像机、成像光谱仪、镜头、图像采集卡、计算机及控制装置等组成。其最主要的工作部件是成像光谱仪，它是一种新型传感器，于20 世纪80年代初发展起来。该光谱仪最重要的特点在于波段多且宽度窄，使得高光谱成像仪能探测到别的宽波段无法探测到的物体，光谱响应范围更广，光谱分辨率更高，能够更加精细地发现被探测物的微小特征，更重要的是它可以提供空间域和光谱域信息的结合，也就是“图谱合一”，但同时也存在着数据量大、冗余信息多的特点。

高光谱成像技术的基本原理

1. 光栅分光原理

在经典物理学中，光波穿过狭缝、小孔或者圆盘之类的障碍物时，不同波长的光会发生不同程度的弯散传播，再通过光栅进行折射分光，形成一条条谱带。也就是说空间中的一维信息通过镜头和狭缝后，不同波长的光按照不同程度的弯散传播，这一维图像上的每个点，再通过光栅进行衍射分光，形成一个谱带，照射到探测器上，探测器上的每个像素位置和强度表征光谱和强度。一个点对应一个谱段，一条线就对应一个谱面，因此探测器每次成像是空间一条线上的光谱信息，为了获得空间二维图像再通过机械推扫，完成整个平面的图像和光谱数据采集。

2. 声光可调谐滤波分光(AOTF)原理:

AOTF由声光介质、换能器和声终端三部分组成。射频驱动信号通过换能器在声光介质内激励出超声波。改变射频驱动信号的频率，可以改变AOTF衍射光的波长，从而实现电调谐波长的扫描。

3. AOTF系统

AOTF系统组成:成像物镜+准直镜+偏振片+晶体+偏振片+物镜+detector，入射光经过物镜会聚之后进入准平行镜(把所有的入射光变成平行光)，准平行光进入偏振片通过同一方向的传播的光，平行光进入晶体之后，平行于光轴的光按照原来方向前行，非平行光进行衍射，分成两束相互垂直o光和e光(入射光的波长不同经过晶体之后的o光与e光的角度也不同，因此在改变波长的过程中，图像会出现漂移);o光和e光及0级光分别会聚在不同的面上。

为了保证入射光经过准平行镜之后能够完全变化成平行光，因此对前端的物镜视场角有一定的要求，根据晶体的xxx角，可算出物镜最大的视场角，小于最大视场角的情况，成像ok，如果大于视场角，则会造成重影(衍射光与0级光都进入了sensor);

4. 棱镜分光

入射光通过棱镜后被分成不同的方向，然后照射到不同方向的探测器上进行成像。棱镜分光后，在棱镜的出射面镀了不同波段的滤光膜，使得不同方向的探测器可以采集到不同光谱信息，实现同时采集空间及光谱信息。

5. 芯片镀膜

近年来，IMEC(欧洲微电子研究中心)采用高灵敏CCD芯片及SCMOS芯片研制了一种新的高光谱成像技术，在探测器的像元上分别镀不同波段的滤波膜实现高光谱成像，此技术大大降低的高光谱成像的成本。

目前IMEC提供三种标准的光谱探测器:100波带的线扫描探测器，32波带的瓷砖式镀膜探测器，16波带以4x4为一个波段的马赛克式镀膜探测器

这种光谱技术的优点是可以同时获得光谱分辨率和空间分辨率，可以进行快速、高性能地获得光谱信息和空间信息，集成度高，成本低。但是缺点是光谱灵敏度较低，一般大于10nm，多用于无人机等大范围扫描的光谱应用领域。

高光谱成像技术是一种新型的遥感技术，它利用物质与光的相互作用来获取目标地物的光谱信息。这种技术结合了二维成像和光谱技术的优点，可以在获取空间信息的同时，得到每个像元的光谱信息。通过对这些光谱信息进行处理和分析，可以实现地物的分类、识别、定量分析和特征提取等任务。

高光谱成像技术的原理是基于物质与光的相互作用。当光线与物质相互作用时，物质会吸收、反射、散射或发射光线，形成独特的光谱特征。这些光谱特征包含了物质成分和结构的信息。不同物质具有不同的光谱特征，因此可以通过对光谱特征的分析来识别地物。

高光谱成像技术利用光谱仪或成像光谱仪获取目标地物的连续、高分辨率的光谱数据。它通过对每个像素或像元进行光谱分析，可以获取大量的窄波段光谱信息。这些信息可以用来识别地物的特征、类型和属性。例如，通过分析地物的光谱特征，可以判断出它是草地、森林、水体还是建筑物等。

高光谱成像技术不仅可以识别地物的类型和属性，还可以实现地物的定量分析和特征提取。通过对地物光谱特征的分析，可以得出地物的各种化学成分和物理特性，如叶绿素含量、水分含量、土壤含沙量等等。这些信息对于环境保护、资源利用和农业等方面具有非常重要的意义。

总之，高光谱成像技术是一种非常有用的遥感技术，它可以获取目标地物的连续、高分辨率的光谱数据，通过对这些数据的处理和分析，可以实现地物的分类、识别、定量分析和特征提取等任务。这种技术在环境保护、资源利用、农业、城市规划等领域中具有广泛的应用前景。