光谱仪知识-高光谱成像光谱仪简介及应用
光谱仪光的颜色和作用
光谱仪光的颜色和作用
光谱仪是一种用于分析光的仪器，它能将光分解成不同波长的光谱。
光谱仪的作用是通过测量不同波长的光的强度来研究物质的性质。
光谱仪分解光的颜色通常是按照光的波长从长到短的顺序，可以看到一连串的颜色，即红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等。
这些颜色组成了可见光谱。
除了可见光外，光谱仪还可以分析和测量超出人眼可见范围的红外光和紫外光谱。
不同颜色的光对应着不同波长的光，每种颜色的光都具有特定的作用和特性。
例如，红色的光波长长，能够穿透物体较深，对生物的刺激较小，常用于保护眼睛和观察昆虫。
紫外光波长短，对生物有较强的杀菌作用，常用于紫外线杀菌灯等应用。
光谱仪的主要作用是通过测量各个波长的光的强度来研究物质的成分和性质。
通过测量光谱，可以得到物体的吸收光谱、发射光谱和反射光谱等信息，从而可以判断物质的成分、浓度、温度等。
在天文学、化学、物理学、生物学等领域都有广泛的应用。
例如，光谱仪可以用于分析星体的组成和温度、分析化学物质的结构和浓度、研究生物体的光敏性等。
光谱仪简要介绍
一般说来，任何一种具有空间周期性的衍屏的光学元件都 可以称为光栅。它是在一块平整的玻璃或金属材料表面 （可以是平面或凹面）刻画出一系列平行、等距的刻线， 然后在整个表面镀上高反射的金属膜或介质膜。 刻画光栅：用钻石刻刀在涂薄金属表面机械刻划而成。 衍射效率高。 复制光栅：用母光栅复制而成。 典型刻划光栅和复制光栅的刻槽是三角形。
L() / A 单位： W M 3 sr 1
是过给定点的束元传输的并包含给定方向的立体角元内 传播的 定义： 辐射通量，A是包含给定的辐射束投影截面， 为光谱响应带宽。
测量内容具体分为以下3种： A. B. C. 目标光谱辐射亮度（Target Spectral Radiance）； 太阳光谱辐射亮度（Solar Spectral Radiance）； 天空光谱辐射亮度（Sky Spectral Radiance）。
E() / A
单位： W M
3
定义：表面上一点的辐照度是入射在包含该点的面元上的辐射通量 除 以该面元面积A之商， 为光谱响应带宽。
测量内容具体分为以下Total Spectral 2种：
A. B. 总光谱辐照度（Irradiance）； 漫射光谱辐照度（Diffuse Spectral Irradiance）
Δλ/Δχ=dcosβ/mF
这里d、β、F分别光谱级次，光栅有效长度，光栅的线槽密度 以及光的入射角和衍射角。R随这些因素增大而增大。 还要考虑到其他因素，例如光学系统的象散，仪器狭缝的 实际宽度及色散能力，接受器的分辨能力等，因此 R实际要比 R理论小。
• 辐射通量 radiant energy flux
• 单位时间内通过一个任意面（曲面或平面）的辐射能，W。同义词：辐射功率。
高光谱成像技术在生命科学中的应用
高光谱成像技术在生命科学中的应用随着生命科学的不断发展和进步，科研人员对复杂生物系统的研究需求越来越大。
仅仅靠传统显微镜、电子显微镜等微成像技术已经无法满足生物科学家们的需求。
因为这些技术只能提供局部结构和成分的信息，而不能同时获得样本的光谱信息。
高光谱成像技术的出现满足了这一需求，不仅能够提供样本的图像，还能够获得样本的分子、化学键等信息，成为了生命科学研究不可或缺的技术手段。
高光谱成像技术是一种光谱成像技术，是将高分辨率光谱仪和图像传感器等硬件设备结合在一起，用于获取样本在某一波长范围内的原位光谱信息以及图像。
它可以在较短的时间内获取大量的多维光谱和图像数据，并将其用于解析和检测样品中的化学分子、生物分子和病理体。
在生命科学中，高光谱成像技术主要应用于以下几个方面。
一、癌症研究高光谱成像技术在癌症研究中得到了广泛应用。
通过光谱成像技术可以获得肿瘤样品中大量的光谱信息和图像信息，从而分析出含在样品中的多种化合物的类型、分布和比例。
高光谱成像技术可以分辨出不同的癌细胞和正常细胞之间的化学、分子成分的区别，辨别出良性和恶性肿瘤的差异，并进一步研究肿瘤的转移、侵袭、代谢活性以及与其相关的细胞信号传递通路。
二、脑科学研究脑组织是生物体中最复杂的之一，结构和功能的复杂性让人不得不对其进行深入的研究。
高光谱成像技术被用来测定不同脑组织的化学成分和分布，以及其他与脑功能相关的化合物。
因此，高光谱成像技术可以帮助科学家研究脑病发生的机制以及相关的生理、生化过程，并对相关疾病的防治措施进行科学合理的制定。
三、昆虫学研究高光谱成像技术也被广泛应用于昆虫学研究中。
昆虫身上具有不同的化学成分，高光谱成像技术可以通过光谱图像来区分成分，从而进行生态、行为等方面的研究，例如昆虫的捕食行为和种群动态研究。
总之，随着科学的进步和技术的发展，高光谱成像技术已经成为了生命科学研究不可或缺的工具，也为相关领域的研究提供了更加全面深入的数据支撑。
高光谱成像技术原理
高光谱成像技术原理高光谱成像技术原理是一种将光谱分辨率提高到较高水平的成像技术。
它基于人眼无法察觉到的远红外和紫外波段的能力，能够获取物体的高精度光谱信息。
高光谱成像技术通过同时采集目标场景上的多个连续波段的光谱数据，实现对物体表面的光谱细微变化的探测和分析。
高光谱成像技术的原理基于物体的光谱吸收和反射特性。
当光线通过或反射于物体表面时，被物体吸收或反射的光波将发生变化。
高光谱成像系统通过对各个波段的频谱进行连续测量，可以获取到物体在不同波段下的光谱信息。
通过分析这些光谱数据，我们可以获取到物体的光谱特征，进而对物体进行分类、识别和定量分析。
高光谱成像技术的原理还包括光谱解混合和特征提取。
当目标场景中存在多个物体或目标时，它们的光谱将混合在一起，难以区分。
光谱解混合是指将混合光谱分离出不同的成分，以便更准确地分析和识别目标。
特征提取则是指从光谱数据中提取出与目标特征相关的信息，例如物体的化学成分、表面反射率等，以便更深入地理解目标的性质和状态。
高光谱成像技术还涉及成像系统的设计和数据处理。
高光谱成像仪器通常由光学系统、探测器和数据处理单元组成。
光学系统负责将目标场景中的光线聚焦到探测器上，以获取光谱数据。
探测器则负责将接收到的光信号转换成电信号，进而进行数字化处理和存储。
数据处理单元则对采集到的光谱数据进行预处理、反演和分析，以提取目标信息并进行图像重建。
总之，高光谱成像技术原理基于物体的光谱吸收和反射特性，通过采集目标场景上的多个波段光谱数据，实现对物体的光谱细微变化的探测和分析。
它可以用于遥感、农业、地质勘探、环境监测等领域，为科研和实际应用提供了强大的工具和手段。
光谱仪简介介绍
佩戴防护眼镜
光谱仪在工作时会产生较强的光线，为避免对眼睛 造成伤害，应佩戴防护眼镜。
防止电击
光谱仪的电源部分带有高压，为避免触电危 险，在操作过程中不要随意打开仪器外壳。
日常维护保养建议
01
02
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定期清洁
保持光谱仪的清洁，定期 使用干净的布擦拭仪器外 壳和光学元件，避免灰尘 和污垢影响仪器性能。
作用
光谱仪广泛应用于物理、化学、生物、医学、材料科学、环境监 测等领域，对于研究物质性质、发现新物质、监测环境污染等具 有重要意义。
光谱仪工作原理
光谱产生
光谱仪利用光源发出的光照射样品，样品中的原子 、分子或离子吸收或发射特定波长的光，形成光谱 。
分光系统
光谱仪通过分光系统（如棱镜、光栅等）将光谱按 波长顺序分开，形成光谱图。
精度
指光谱仪测量结果的准确程度 ，包括波长精度和光强精度等 ，精度越高，测量结果越可靠 。
灵敏度
指光谱仪对光信号的敏感程度 ，即能够检测到的最小光强， 灵敏度越高，对弱信号的检测 能力越强。
动态范围
指光谱仪能够同时测量的最大 光强和最小光强之比，动态范 围越大，光谱仪的应用范围越 广。
性能评价方法论述
波长的光强，实现高精度的光谱分析。
宽测量范围
02
光谱仪可覆盖较宽的光谱范围，适用于多种不同波长范围的样
品测量和分析。
快速测量
03
光谱仪采用高速数据处理系统，能够实现快速测量和实时显示
测量结果，提高工作效率。
03
光谱仪性能指标评价方法
性能参数指标解读
01
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。
通用测试仪器大全之光谱分析仪(特性,工作原理,使用方法,应用范围)
通用测试仪器大全之光谱分析仪（特性，工作原理，使用方法，应用范围）什么是光谱分析仪？根据现代光谱仪器的工作原理，光谱仪可以分为两大类：经典光谱仪和新型光谱仪。
经典光谱仪器是建立在空间色散原理上的仪器：新型光谱仪器是建立在调制原理上的仪器。
经典光谱仪器都是狭缝光谱仪器。
调制光谱仪是非空间分光的，它采用圆孔进光根据色散组件的分光原理，光谱仪器可分为：棱镜光谱仪，衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪。
光学多道OMA（OpTIcal MulTI-channel Analyzer）是近十几年出现的采用光子探测器（CCD）和计算机控制的新型光谱分析仪器，它集信息采集，处理，存储诸功能于一体。
由于OMA不再使用感光乳胶，避免和省去了暗室处理以及之后的一系列繁琐处理，测量工作，使传统的光谱技术发生了根本的改变，大大改善了工作条件，提高了工作效率：使用OMA分析光谱，测盆准确迅速，方便，且灵敏度高，响应时间快，光谱分辨率高，测量结果可立即从显示屏上读出或由打印机，绘图仪输出。
它己被广泛使用于几乎所有的光谱测量，分析及研究工作中，特别适应于对微弱信号，瞬变信号的检测。
光谱分析仪工作原理：光谱分析仪的分析原理是将光源辐射出的待测元素的特征光谱通过样品的蒸汽中待测元素的基态原子所吸收，由发射光谱被减弱的程度，进而求得样品中待测元素的含量，它符合郎珀-比尔定律A= -lg I/I o= -LgT = KCL 式中I为透射光强度，I0为发射光强度，T为透射比，L为光通过原子化器光程由于L是不变值所以A=KC。
光谱分析仪的作用：红外光谱仪可用于研究分子的结构和化学键，也可以作为表征和鉴别化学物种的方法。
红外光谱具有高度特征性，可以采用与标准化合物的红外光谱对比的方法来做分析鉴定。
利用化学键的特征波数来鉴别化合物的类型，并可用于定量测定。
可用于不同种类高分子材料的鉴别研究等。
光谱分析仪的分类：根据现代光谱仪器的工作原理，光谱仪可以分为两大类：经典光谱仪和新型光谱仪。
光谱仪使用简介
规格
型号 波长范围
参数
FieldSpec 3 JR 350-2500nm
光谱采样间隔 1.377nm (350-1050nm)
2nm (1000-1500nm)
光谱分辨率
3nm@700nm 30nm@1400,2100nm
光谱采集过程
测量光照参考板（一般为Raw DN值），测参 考板2次，每次5条平均 测量遮阴参考板2次，每次5条平均 测量光照地物，探头高度按照观测目标确定， 每次5条平均 测量遮阴地物，探头高度同上，每次5条平均
生物光学算法—I类水体
分析算法 半分析算法 基于蓝绿比值的MODIS经验算法（反演精度 相对较高） 基于辐射传输模型的理论算法
生物光学算法—I类水体
基本思路是利用大气辐射传递理论，将传感器 接收到的总信号中大气效应和离水辐射分开。 假设I类水体近红外谱段离水辐射忽略不计， 据此求出该谱段的大气特性，并外推至可见光 波段。传感器接收的信号经大气校正后，求得 离水辐射度，然后用经验公式反演出叶绿素a 的含量
野外光谱测量注意事项
传感器探头的选择：当野外地物范围比较大， 物种纯度比较高、观测距离比较近时，选用较 大视场角的探头；当地物分布面积较小时，或 者物种在近距离内比较混杂，或需要测量远处 地物时，则选用小视场角的探头
野外光谱测量注意事项
避免阴影：探头定位时必须避免阴影，人应该面 向阳光，这样可以得到一致的测量结果。野外大 范围测试光谱数据时，需要沿着阴影的反方向布 置测点
大气校正，即从传感器接收到的信号中消除大 气的影响，获得包含海水组分信息的海面离水 辐亮度的某种标准化形式。 水色遥感反演模式的作用是从遥感反射率的数 据出发，反演海水中包含的叶绿素、无机的悬 浮物和有机的黄色物质的浓度。
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高光谱成像光谱仪简介及应用
高光谱成像光谱仪将成像技术和光谱技术结合在一起，在探测物体空间特征
的同时并对每个空间像元 色散形成几十个到上百个波段带宽为 10nm 左右的连
续光谱覆盖。它以高光谱分辨率获取景物或目标的高 光谱图像。在陆地、大气、
海洋等领域的研究观测中有广泛的应用。
高光谱高光谱成像光谱仪–概述
高光谱高光谱成像光谱仪是 20 世纪 80 年代开始在多光谱遥感成像技术
的基础上发展起来的，它以高光谱分辨率获取景物或目标的高光谱图像，在航空、
航天器上进行陆地、大气、海洋等观测中有广泛的应用，高高光谱成像光谱仪可
以应用在地物精确分类、地物识别、地物特征信息的提取。建立目标的高光谱 遥
感信息处理和定量化分析模型后，可提高高光谱数据处理的自动化和智能化水
平.。由于高光谱成像光谱 仪高光谱分辨率的巨大优势，在空间对地观测的同时
获取众多连续波段的地物光谱图像，达到从空间直接 识别地球表面物质的目的，
成为遥感领域的一大热点，正在成为当代空间对地观测的主要技术手段。地面 上
采用高光谱成像光谱仪也取得了很大的成果，如科学研究、工农林业环境保护等
方面。
高光谱成像光谱仪主要性能参数是：
（1）噪声等效反射率差（NE∆p），体现为信噪比（SNR）；
（2） 瞬时视场角（IFOV），体现为地面分辨率；
（3）光谱分辨率，直观地表现为波段多少和波段谱宽。
高光谱分辨率遥感信息分析处理，集中于光谱维上进行图象信息的展开和定
量分析，其图象处理模式 的关键技术有：
⑴超多维光谱图象信息的显示，如图像立方体的生成；
⑵光谱重建，即成像光 谱数据的定标、定量化和大气纠正模型与算法，依
此实现成像光谱信息的图象-光谱转换；
⑶光谱编码，尤 其指光谱吸收位置、深度、对称性等光谱特征参数的算法；
⑷基于光谱数据库的地物光谱匹配识别算法；
⑸混合光谱分解模型；
⑹基于光谱模型的地表生物物理化学过程与参数的识别和反演算法。
高光谱分辨率成像光谱遥感起源于地质矿物识别填图研究，逐渐扩展为植被
生态、海洋海岸水色、冰 雪、土壤以及大气的研究中。 高光谱成像光谱仪的基
本原理
1、系统工作原理与结构：高高光谱成像光谱仪将成像技术和光谱技术结合
在一起，在探测物体空间特 征的同时并对每个空间像元色散形成几十个到上百
个波段带宽为 10nm 左右(目前美国产 SOC730 高光谱 成像光谱仪的带宽已达
到 2nm)的连续光谱覆盖。根据高光谱成像光谱仪的扫描方式，其工作原理也不
尽相 同，作为光学成像仪成像的一个例子，这里简述一下焦平面探测器推扫成
像原理。
1．1、系统工作原理：焦平面探测器推扫成像原理，地面物体的反射光通过物
镜成像在狭缝平面，狭 缝作为光栏使穿轨方向地面物体条带的像通过，挡掉其
他部分光。地面目标物的辐射能通过指向镜，由物 镜收集并通过狭缝增强准直
照射到色散元件上，经色散元件在垂直条带方向按光谱色散，用会聚镜会聚成 像
在传感器使用的二维 CCD 面阵列探测元件被分布在光谱仪的焦平面上。焦平面
的水平方向平行于狭缝， 称空间维，每一行水平光敏元上是地物条带一个光谱
波段的像；焦平面的垂直方向是色散方向，称光谱维， 每一列光敏元上是地物
条带一个空间采样视场(像元)光谱色散的像。这样，面阵探测器每帧图像数据就
是 一个穿轨方向地物条带的光谱数据，连续记录光谱图像，就得到地面二维图
像。
1．2、高光谱成像光谱仪数据获取系统构成：高光谱成像光谱仪由光学系统、信
号前端处理盒、数据 采集记录系统三部分组成。数据的回放及预处理通过专用
软件在高性能的微机上完成。软件具有如下功能： 数据备份；快速回放；数据
规整和格式转换；图像分割截取；标准格式的图像数据生成等。
高光谱成像光谱仪的应用
高光谱成像光谱仪的应用范围遍及化学、物理学、生物学、医学等多个领域。目
前，高光谱成像光谱 仪在土地利用、农作物生长、分类，病虫害检测，海洋水
色测量，城市规划、石油勘探、地芯地貌及军事 目标识别等方面都有着很广泛
和深远的应用前景。