光谱成像技术的分类
高光谱成像技术的原理和应用
高光谱成像技术的原理和应用1. 引言高光谱成像技术是一种非常重要的光谱成像技术，它能够获取目标物体的高光谱信息，进而实现对目标物体进行分类、定量分析、检测等多种应用。
本文将介绍高光谱成像技术的原理和应用。
2. 高光谱成像技术的原理高光谱成像技术基于光谱学原理，通过获取物体不同波长处的反射、吸收或发射光谱信息，来实现对物体的检测和分析。
其原理包括以下几个方面：2.1 光谱分辨率光谱分辨率是指在一定波段范围内可以区分的最小波长变化。
高光谱成像技术具有较高的光谱分辨率，可以分辨出目标物体的微小变化。
2.2 光谱采集高光谱成像技术通过传感器采集物体在不同波长处的光谱数据。
传感器会记录下物体在连续波长范围内的光谱反射强度，形成一幅高光谱影像。
2.3 数字处理采集到的高光谱影像需要进行数字处理，常见的处理方法包括校正、噪声去除、波长配准等。
数字处理能够进一步提取出目标物体的特征信息。
2.4 数据分析高光谱影像的数据分析常包括目标检测、分类、定量分析等。
通过数据处理和分析，可以实现对目标物体的快速、准确的识别和分析。
3. 高光谱成像技术的应用高光谱成像技术在多个领域都有广泛的应用，以下是一些常见的应用领域：3.1 农业领域高光谱成像技术可以用于农作物的健康监测、病虫害的早期检测等。
通过对农田进行高光谱成像，可以及时发现农作物叶片的问题，并针对性地采取措施，提高农作物的产量和质量。
3.2 环境监测高光谱成像技术可用于环境监测，如水质监测、空气污染监测等。
通过对水体或大气中光谱的采集和分析，可以实现对环境污染程度的判断和监测。
3.3 矿产勘探高光谱成像技术可以用于矿产勘探，如寻找矿石和矿藏等。
通过对地表光谱的分析，可以发现矿藏的特征信号，并提供勘探方向和指导。
3.4 医学领域高光谱成像技术在医学领域中有广泛的应用，如肿瘤检测、皮肤病诊断等。
通过捕捉目标区域的高光谱影像，可以获取目标组织的特征信息，从而实现对疾病的早期检测和诊断。
高光谱,多光谱及超光谱
1、光谱分辨率光谱分辨率spectral resolution定义1：遥感器能分辨的最小波长间隔，是遥感器的性能指标。
遥感器的波段划分得越细，光谱的分辨率就越高，遥感影像区分不同地物的能力越强。
定义2：多光谱遥感器接收目标辐射信号时所能分辨的最小波长间隔。
光谱分辨率指成像的波段范围，分得愈细，波段愈多，光谱分辨率就愈高，现在的技术可以达到5~6nm（纳米）量级，400多个波段。
细分光谱可以提高自动区分和识别目标性质和组成成分的能力。
传感器的波谱范围，一般来说识别某种波谱的范围窄，则相应光谱分辨率高。
举个例子：可以分辨红外、红橙黄绿青蓝紫紫外的传感器的光谱分辨率就比只能分辨红绿蓝的传感器的光谱分辨率高。
一般来说，传感器的波段数越多波段宽度越窄，地面物体的信息越容易区分和识别，针对性越强。
2、什么是高光谱，多光谱及超光谱高光谱成像是新一代光电检测技术，兴起于2O世纪8O年代，目前仍在迅猛发展巾。
高光谱成像是相对多光谱成像而言，通过高光谱成像方法获得的高光谱图像与通过多光谱成像获取的多光谱图像相比具有更丰富的图像和光谱信息。
如果根据传感器的光谱分辨率对光谱成像技术进行分类，光谱成像技术一般可分成3类。
(1)多光谱成像——光谱分辨率在delta_lambda/lambda=0．1mm数量级，这样的传感器在可见光和近红外区域一般只有几个波段。
(2)高光谱成像——光谱分辨率在delta_lambda/lambda=0．01mm数量级，这样的传感器在可见光和近红外区域有几十到数百个波段，光谱分辨率可达nm 级。
(3)超光谱成像——光谱分辨率在delta_lambda/lambda =O．001mm=1nm数量级，这样的传感器在可见光和近红外区域可达数千个波段。
众所周知，光谱分析是自然科学中一种重要的研究手段，光谱技术能检测到被测物体的物理结构、化学成分等指标。
光谱评价是基于点测量，而图像测量是基于空间特性变化，两者各有其优缺点。
多光谱成像
多光谱成像多光谱成像技术是一种利用多种不同频段的波段来披露信息的高级成像技术，它已经广泛应用于环境监测、遥感成像、医学成像、军事情报、航空航天、农业技术等诸多方面。
多光谱成像技术通过收集多个不同频段的信号，分析这些信号，从而获取更为丰富的信息，提供更加精细的空间分辨率，并且得到更精确的结果。
大多数多光谱成像系统所使用的多个波段可以从可见光（Visible）、近红外（Near Infrared）、中红外（Mid Infrared）和远红外（Far Infrared）等不同频段组合而成。
多光谱成像技术的主要功能包括定量分析和定性分析。
定量分析是根据不同物体的多光谱反射和吸收情况，对物体组成的各种特性，如草地中的植物种类、藻类的含量、土壤质量以及水体中悬浮物的粒径等，进行精确定量的分析。
而定性分析则是指，根据多光谱反射和吸收的结果，对目标物进行分类、景观特征分析和地物识别等，从而实现对环境变化情况的探寻和跟踪。
多光谱成像技术还可以用于测定物体表面的温度、检测污染物质扩散的情况以及地表受力的变化等等。
许多多光谱成像系统可以提供多种参数的同时测量，如太阳辐射、能量、湿度、动态变化等，从而可以有效地捕捉出实际环境变化的细微变化，从而辅助制定准确的管理决策。
日益加强的计算机硬件、软件和信息处理技术，使多光谱成像技术得以广泛的应用，它已成为监测和评估环境变化的首选技术。
多光谱成像技术可以很好地满足政府、科研机构、企业等组织的需求，让他们能够更好地进行资源管理和可持续发展的工作。
此外，多光谱成像技术还可以应用于预防灾害预警和救灾工作，以及军事、气象、搜索救援等领域，以提高安全水平。
总之，多光谱成像技术已成为现代科学技术应用的重要组成部分，它可以提供更丰富的信息，实现对自然和人工环境中细微差异的快速捕捉，为研究和决策者提供实用的信息依据，以期提升经济、社会及环境可持续发展水平。
高光谱,多光谱及超光谱
1、光谱分辨率光谱分辨率spectral resolution定义1：遥感器能分辨的最小波长间隔，是遥感器的性能指标。
遥感器的波段划分得越细，光谱的分辨率就越高，遥感影像区分不同地物的能力越强。
定义2：多光谱遥感器接收目标辐射信号时所能分辨的最小波长间隔。
光谱分辨率指成像的波段范围，分得愈细，波段愈多，光谱分辨率就愈高，现在的技术可以达到5~6nm（纳米）量级，400多个波段。
细分光谱可以提高自动区分和识别目标性质和组成成分的能力。
传感器的波谱范围，一般来说识别某种波谱的范围窄，则相应光谱分辨率高。
举个例子：可以分辨红外、红橙黄绿青蓝紫紫外的传感器的光谱分辨率就比只能分辨红绿蓝的传感器的光谱分辨率高。
一般来说，传感器的波段数越多波段宽度越窄，地面物体的信息越容易区分和识别，针对性越强。
2、什么是高光谱，多光谱及超光谱高光谱成像是新一代光电检测技术，兴起于2O世纪8O年代，目前仍在迅猛发展巾。
高光谱成像是相对多光谱成像而言，通过高光谱成像方法获得的高光谱图像与通过多光谱成像获取的多光谱图像相比具有更丰富的图像和光谱信息。
如果根据传感器的光谱分辨率对光谱成像技术进行分类，光谱成像技术一般可分成3类。
(1)多光谱成像——光谱分辨率在delta_lambda/lambda=0．1mm数量级，这样的传感器在可见光和近红外区域一般只有几个波段。
(2)高光谱成像——光谱分辨率在delta_lambda/lambda=0．01mm数量级，这样的传感器在可见光和近红外区域有几十到数百个波段，光谱分辨率可达nm 级。
(3)超光谱成像——光谱分辨率在delta_lambda/lambda =O．001mm=1nm数量级，这样的传感器在可见光和近红外区域可达数千个波段。
众所周知，光谱分析是自然科学中一种重要的研究手段，光谱技术能检测到被测物体的物理结构、化学成分等指标。
光谱评价是基于点测量，而图像测量是基于空间特性变化，两者各有其优缺点。
光电子学中的光谱仪和成像技术
光电子学中的光谱仪和成像技术光电子学是一门研究光的电磁波特性及其与物质相互作用的学科，近年来受到了广泛关注和发展。
光谱仪和成像技术是光电子学中的两个重要分支，它们可以帮助我们深入了解光的本质和光与物质的相互作用，为我们研究和应用光电子技术提供了重要的手段。
一、光谱仪光谱仪是一种用来分析光波谱的仪器，可以将光分解成其不同波长的成分进行研究和测量。
光谱仪广泛应用于光学、物理、化学、生物学等领域，在这些领域中，我们可以通过光谱仪来进行各种性质的分析和测试，例如物质的成分、结构、光学性质等等。
光谱仪的基本工作原理是将光线通过一个小孔或透镜聚集到光栅或小孔板上，然后通过一个检测器将不同波长的光线分离出来。
光谱仪可以分为吸收光谱仪和发射光谱仪两种类型。
在吸收光谱仪中，光通过被测物质时，会被物质吸收，形成一个独特的光谱，我们可以通过这个光谱来分析物质的成分和浓度。
而在发射光谱仪中，物质被激发后会发射出一种特定的光谱，我们可以通过检测这个光谱来分析物质的性质和特点。
二、成像技术成像技术是将物体的信息通过光学传感器捕捉并转换成数字信号，然后通过计算机图像处理的方式，呈现出一幅清晰的图像或视频。
成像技术广泛应用于医学、军事、工业、卫星导航等领域，在这些领域中，我们可以通过成像技术来实时监测和观察物体的运动、形态、表面特征等等。
现代成像技术包括了很多种类，例如光电器件成像、红外成像、热像仪等。
其中最常见的是光电器件成像技术，它是利用光电转换原理将光信号转换为电信号，然后再通过信号处理技术来实现图像的呈现。
现代的光电器件成像技术包括了CCD（Charge-coupled_device）、CMOS（Complementary_Metal_Oxide_Semiconductor）等技术，具有高灵敏度、低噪声、高分辨率等优点。
三、光谱仪和成像技术在现代社会中的应用光谱仪和成像技术在现代社会中的应用非常广泛，下面我们就来看一下它们在各个领域中的应用。
(完整word版)光谱成像技术的分类
光谱成像技术的分类光谱成像技术，有时又称成像光谱技术，融合了光谱技术和成像技术，交叉涵盖了光谱学、光学、计算机技术、电子技术和精密机械等多种学科，能够同时获得目标的两维空间信息和一维光谱信息。
光谱成像技术发展到今天，出现的光谱成像仪的种类和数量己经具有较大规模，因而可以从光谱分辨率、信息获取方式（扫描方式）、分光原理和重构理论等不同的视角对光谱成像技术进行分类。
1基于光谱分辨率分类光谱成像技术针对光谱分辨能力的不同，可分为多光谱(Multi-spectral)，高光谱(Hyper- spectral)以及超光谱(Ultra-spectral)。
多光谱的谱段数一般只有几十个，高光谱的谱段数可达到几百个，而超光谱一般指谱段数上千个。
它们的区别如表1所示。
表1多、高、超光谱的比较2 基于信息获取方式分类光谱成像仪需要对三维“数据立方”进行探测，而现今的探测器最多能进行二维探测。
要想获得完整的三维数据，理论上至少需增加一维的空间扫描或光谱扫描。
光谱成像技术获取图谱信息的主要方式有：挥扫式(Whiskbroom )、推扫式(Pushbroom)、凝视式(Staring)以及快照式(Snapshot)。
挥扫式成像光谱仪的光谱成像系统只对空间中某点进行光谱探测，通过沿轨和穿轨两个方向扫描获取完整的二维空间信息，其信息获取方式如图1a所示。
A VIRIS就是通过挥扫成像[1]。
推扫式光谱成像系统探测空间中一维线视场(图1b中的X方向)的光谱，通过沿轨方向(Y方向)扫描实现二维空间信息的获取，芬兰国立技术研究中心实验室研制的AISA就是典型的推扫式成像光谱仪[2]。
凝视式光谱成像系统可对固定窗口目标成像，采用滤光的方式分离并获取不同波段的图像信息，再将不同波段的图像堆叠成“数据立方”。
如图1c中所示，该类成像光谱仪实际上是采用光谱维扫描的方式实现图谱“数据立方”的获取。
图1 典型的光谱成像过程：a挥扫式；b推扫式；c凝视式；d快照式快照式是一种新兴的图谱信息获取方式，它不需扫描便可获取三维图谱信息。
光谱成像技术的分类
光谱成像技术的分类-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN光谱成像技术的分类光谱成像技术，有时又称成像光谱技术，融合了光谱技术和成像技术，交叉涵盖了光谱学、光学、计算机技术、电子技术和精密机械等多种学科，能够同时获得目标的两维空间信息和一维光谱信息。
光谱成像技术发展到今天，出现的光谱成像仪的种类和数量己经具有较大规模，因而可以从光谱分辨率、信息获取方式（扫描方式）、分光原理和重构理论等不同的视角对光谱成像技术进行分类。
1基于光谱分辨率分类光谱成像技术针对光谱分辨能力的不同，可分为多光谱(Multi-spectral)，高光谱(Hyper- spectral)以及超光谱(Ultra-spectral)。
多光谱的谱段数一般只有几十个，高光谱的谱段数可达到几百个，而超光谱一般指谱段数上千个。
它们的区别如表1所示。
表1多、高、超光谱的比较光谱2 基于信息获取方式分类光谱成像仪需要对三维“数据立方”进行探测，而现今的探测器最多能进行二维探测。
要想获得完整的三维数据，理论上至少需增加一维的空间扫描或光谱扫描。
光谱成像技术获取图谱信息的主要方式有：挥扫式(Whiskbroom )、推扫式(Pushbroom)、凝视式(Staring)以及快照式(Snapshot)。
挥扫式成像光谱仪的光谱成像系统只对空间中某点进行光谱探测，通过沿轨和穿轨两个方向扫描获取完整的二维空间信息，其信息获取方式如图1a所示。
AVIRIS就是通过挥扫成像[1]。
推扫式光谱成像系统探测空间中一维线视场(图1b中的X方向)的光谱，通过沿轨方向(Y方向)扫描实现二维空间信息的获取，芬兰国立技术研究中心实验室研制的AISA就是典型的推扫式成像光谱仪[2]。
凝视式光谱成像系统可对固定窗口目标成像，采用滤光的方式分离并获取不同波段的图像信息，再将不同波段的图像堆叠成“数据立方”。
如图1c中所示，该类成像光谱仪实际上是采用光谱维扫描的方式实现图谱“数据立方”的获取。
干涉型光谱成像技术
干涉型光谱成像技术是一种利用干涉图和复原光谱之间的傅立叶变换关系的成像技术。
这种技术可以同时获取被测对象的空间信息和光谱信息。
具体来说，它首先利用干涉图和复原光谱之间的傅立叶变换关系，通过对干涉图进行傅里叶积分变换计算得到被测对象的光谱信息。
在干涉型光谱成像技术中，目标场景中的点的光谱由干涉仪分光后采集的干涉曲线经傅里叶变换后还原得到。
这种技术可以根据调制方式分为时间调制型、空间调制型和时间空间联合调制型。
在获取目标的二维信息方面，干涉型成像光谱技术与色散型技术类似，通过摆扫或推扫得到目标上的像元。
但每个像元的光谱分布不是由色散元件形成，而是利用像光辐射的干涉图与其光谱图之间的傅立叶变换关系，通过探测像元辐射的干涉图和利用计算机技术对干涉图进行傅立叶变换，来获得每个像元的光谱分布。
基于迈克尔逊干涉方法、双折射干涉方法和三角共路（Sagnac）干涉方法等三种干涉方法，形成了三种典型的干涉成像光谱仪，包括迈克尔逊型干涉成像光谱仪、双折射型干涉成像光谱仪和三角共路（Sagnac）型干涉成像光谱仪。
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光谱成像技术的分类
光谱成像技术，有时又称成像光谱技术，融合了光谱技术和成像技术，交叉涵盖了光谱学、光学、计算机技术、电子技术和精密机械等多种学科，能够同时获得目标的两维空间信息和一维光谱信息。
光谱成像技术发展到今天，出现的光谱成像仪的种类和数量己经具有较大规模，因而可以从光谱分辨率、信息获取方式（扫描方式）、分光原理和重构理论等不同的视角对光谱成像技术进行分类。
1基于光谱分辨率分类
光谱成像技术针对光谱分辨能力的不同，可分为多光谱(Multi-spectral)，高光谱(Hyper- spectral)以及超光谱(Ultra-spectral)。
多光谱的谱段数一般只有几十个，高光谱的谱段数可达到几百个，而超光谱一般指谱段数上千个。
它们的区别如表1所示。
表1多、高、超光谱的比较
分类分辨
率
通道数光谱典型例子
多光谱（Multi-spectral）10-1λ
量级
5—30ETM+
ASTER
高光谱（Hyper-spectral）10-2λ
量级
100—
200
AVIRIS
超光谱（Ultra-spectral）10-3λ
量级
1000—
10000
GIFTS
2 基于信息获取方式分类
光谱成像仪需要对三维“数据立方”进行探测，而现今的探测器最多能进行二维探测。
要想获得完整的三维数据，理论上至少需增加一维的空间扫描或光谱扫描。
光谱成像技术获取图谱信息的主要方式有：挥扫式(Whiskbroom )、推扫式(Pushbroom)、凝视式(Staring)以及快照式(Snapshot)。
挥扫式成像光谱仪的光谱成像系统只对空间中某点进行光谱探测，通过沿轨和穿轨两个方向扫描获取完整的二维空间信息，其信息获取方式如图1a所示。
AVIRIS就是通过挥扫成像[1]。
推扫式光谱成像系统探测空间中一维线视场(图1b中的X方向)的光谱，通过沿轨方向(Y方向)扫描实现二维空间信息的获取，芬兰国立技术研究中心实验室研制的AISA就是典型的推扫式成像光谱仪[2]。
凝视式光谱成像系统可对固定窗口目标成像，采用滤光的方式分离并获取不同波段的图像信息，再将不同波段的图像堆叠成“数据立方”。
如图1c中所示，该类成像光谱仪实际上是采用光谱维扫描的方式实现图谱“数据立方”的获取。
图1 典型的光谱成像过程：a挥扫式；b推扫式；c凝视式；d快照式
快照式是一种新兴的图谱信息获取方式，它不需扫描便可获取三维图谱信息。
快照式光谱成像技术实现方式主要有三种：一种是视场分割三维成像的方式，利用玻璃堆进视场分割，再利用分光器件将三维信息展开到二维平面进行面探测
[3]，如图1d所示；第二种是计算层析的方式[4]，利用正交光栅等分光器件将三维信息层析投影到二维平面，再利用算法重构三维图谱；第三种是孔径编码计算光谱成像的方式[5]，通过孔径编码的形式引入计算维，再进行分光得到编码的混合图谱信息，最后通过计算解码重构三维信息的孔径编码计算成像技术，其三维信息获取方式如图2所示。
图2 孔径编码计算光谱成像技术的信息获取方式
3 基于分光原理分类
进入光谱成像系统的图像信号均为复色光，要想探测每个像素的光谱信息需对复色信号分光。
按照分光原理来划分，成像光谱技术可分为三类：色散型(dispersive )，滤光片型(filtering)和干涉型(interferometric)。
色散型分光技术主要包括棱镜分光和光栅分光两种。
棱镜分光是利用材料对不同波长的光折射率不同将复色光在主截面内散开；光栅分光则是利用衍射的原理将复色光在主截面内散开。
滤光片型成像光谱仪技术采用滤光片作为分光器件，其种类形式多样，如滤光片轮、滤光片阵列、线性渐变滤光片、光楔滤光片等；另外还有两种经典的调谐型滤光器，声光可调谐滤光片(AOTF)和液晶可调谐滤光片(LCTF)。
经滤光片滤光，探测器获得的每帧图像为准单色图，通过变换滤光片或调谐滤光获取完整的“数据立方”。
干涉型成像光谱技术也称作傅里叶变换光谱成像技术，通过探测目标的干涉图并利用傅里叶变换计算获得光谱信息[6]。
干涉型成像光谱技术按照探测模式可分为三类：一是时间调制型，其主要的结构原型是Michelson干涉仪（如图3a），利用动镜扫描干涉实现光谱信息的相干探测。
二是空间调制型，其典型的结构是
以Sagnac干涉仪（三角共光路）系统（如图3b），利用空域的干涉图获得光谱信息，此类干涉型光谱仪有狭缝，不需要动镜扫描。
三是时空混合调制型，其典型的结构有三角共路系统和双折射晶体偏振干涉系统（如图3c），这类系统既无狭缝又无动镜，通过推扫实现全部空间的干涉图样获取。
干涉型成像光谱技术按有无运动装置可分为静态型和动态型，其中时间调制型为动态，空间调制型和时空混合调制型为静态。
图3 三种典型的干涉成像光谱仪工作原理图：a时间调制型；b空间调制型；
c时空混合调制型
参考文献
[1]Green R O, Eastwood M L, Sarture C M, et al. Imaging spectroscopy and the airborne visible/infrared imaging spectrometer (AVIRIS)[J]. Remote Sensing of Environment, 1998, 65(3): 227-248.
[2]Okkonen J, Aikio M. Airborne imaging spectrometer for applications (AISA)[C]IGARSS'93. Better Understanding of Earth Environment., International. IEEE, 1993: 479-481.
[3]Gao L, Kester R T, Tkaczyk T S. Compact Image Slicing Spectrometer (ISS) for hyperspectral fluorescence microscopy[J]. Optics express, 2009, 17(15): .
[4]Kudenov M W, Craven-Jones J, Aumiller R, et al. Faceted grating prism for a computed tomographic imaging spectrometer[J]. Optical Engineering, 2012, 51(4): 044002-.
[5]Wagadarikar A A, Pitsianis N P, Sun X, et al. Spectral image estimation for coded aperture snapshot spectral imagers[C]International Society for Optics and Photonics, 2008: 707602-707602-15.
[6]Persky M J. A review of spaceborne infrared Fourier transform spectrometers for remote sensing[J]. Review of Scientific Instruments, 1995, 66(10): 4763-4797.。