什么是高光谱成像技术？高光谱成像技术有哪些类型？

高光谱成像技术是光谱成像技术的一种，它将传统二维成像技术和光谱技术有机结合在一起，既可以获取目标物的二维空间信息，又可以获得一维光谱信息。该技术具有空间可识别性、超多波段、高的光谱分辨率、光谱范围广和图谱合一等众多优点。本文对高光谱成像技术的含义及类型做了介绍。

什么是高光谱成像技术？

高光谱成像技术是新兴的、快速、无损的检测技术，将传统的光谱分析与机器视觉有机地结合在一起，可以同时获得图像上每个像素点的连续光谱信息和每个光谱波段的连续图像信息，其光谱信息能反映样本的化学成分和组织结构，图像信息能反映样本的空间分布、外部属性和几何结构。因此高光谱图像能对样本的多方面物理、化学信息进行空间维的可视化表达。

与多光谱成像相比，高光谱成像仪器可以在很窄的光谱波段内连续采集图像，有很高的光谱分辨率，通常精度可达到2-3nm，能得到上百条波段的连续图像，以充分反映样本光谱信息的细微变化。高光谱图像是一系列光波波长的光学图像组成的图像块，应用较多的光谱波段是可见光（400-780nm）和近红外光（780-2500nm）波段。

高光谱成像技术结合了光谱技术和图像处理技术的双重优势，既有光谱技术的优点：快速、高效、测量简单方便、非破坏性分析、多组分同时测定、样品不需预处理或预处理简单、可实现实时分析，又融合了图像技术的优点：可视化、直观形象、再现性好、处理精度高、适用面宽、灵活性高。光谱技术和图像处理技术的融合与交叉，使得光谱信息和图像信息取得双赢效果，都发挥出远大于自身的功用。例如，可以先通过光谱分析方法选择具有代表性的特征波长，再提取特征波长图像的纹理等图像信息进行更深入的分析；可以应用光谱分析方法定量测定样本图像每个像素点的化学成分含量和品质参数，再在图像上进行空间维的显示。

高光谱成像技术的类型：

1.根据分光原理的不同分类

根据分光原理的不同，可将高光谱成像技术分为色散型、干涉型、计算层析型等几种类型。

①色散型高光谱成像技

色散型高光谱成像技术主要包括色散棱镜型、衍射光栅型以及声光、液晶可调谐滤光片型（AOTF）等高光谱成像技术。色散型高光谱成像技术利用光栅、棱镜等色散元件将经准直透镜准直后的光线色散成连续分布的单色光，光线经聚焦会聚于探测元件上，最终得到每一个像元的强度。该技术出现较早，又其原理结构简单，性能稳定，因此发展比较成熟。但是该系统内部狭缝的存在导致光谱分辨率、能量利用率以及信噪比很难提高成为制约该技术继续发展的瓶颈问题。

②干涉型高光谱成像技

干涉型高光谱成像技术也称傅立叶变换型高光谱成像技术，主要包括傅里叶变换型（迈克尔逊干涉型、三角共路干涉型、双折射偏振干涉型）、液晶可调谐滤光片型（LCTF）等高光谱成像技术。干涉型高光谱成像技术将获取的干涉强度信息通过傅里叶变换转换成目标的光谱信息，是间接光谱成像技术。干涉型的高光谱成像仪较上述色散型高光谱成像仪具有多通道、高通量、高光谱分辨率、高信噪比等优点。

③计算层析型高光谱成像技术

计算层析型高光谱成像技术是随着计算机技术、探测器水平以及医学上断层扫描技术的发展而出现的一种新兴技术，目前还处于理论及方法研究阶段。该技术将计算机断层扫描技术应用于高光谱成像技术中，将目标图像的数据立方体视作三维，物体，沿着一个或者多个方向投影到探测器上，再根据数据立方体与获得的投影图像之间的关系，选择合适的重建算法重构出目标的三维数据立方体。其显著的优点是其具有全视场性，不仅能够保证较高的光通量及光能利用率，而且能够快速精确的获取目标物体的二维空间信息和一维光谱信息。

2.根据成像方式的不同分类

根据成像方式的不同，可将高光谱成像技术分为扫描型和快照式两大类，扫描型高光谱成像技术又分为摆扫式，推扫式和凝采式三种。

①摆扫式高光谱成像技术

也叫做掸扫式、挥扫式高光谱成像技术，其扫描方式是点扫描。该类型仪器的核心部件是线阵列光电探测器，其作用是接收目标不同波长下的辐射能，其一般在扫描仪的前方安装光学镜头，利用机械传动装置带动镜头左右摆动以及飞行平台向前移动完成对地面目标的逐点扫描，达到获取多个窄波段连续光谱图像的目的。

②推扫式高光谱成像技术

也叫做推帚式高光谱成像技术，其扫描方式是线扫描。该类型仪器通过推扫的方式每次获取一行目标信息，因此其前方不需要移动探测部件，其采用二维面阵列探测器，其中，一维用于接收保存光谱信息，与之相垂直的另一维为线性阵列，其作用是分散并聚焦目标物体在不同波长下的辐射能。

③凝采式高光谱成像技术

也叫做凝视式高光谱成像技术，其扫描方式是颜色扫描。该类型仪器通过颜色扫描方式每次获取一个波长下的目标信息。其采用单色器或电调谐滤波器完成不同光谱通道之间的切换，以达到探测器采集相应波长的目标物体全部信息的目的。

④快照式高光谱成像技术

其成像方式无需扫描，能够一次性获取目标物体包括一维光谱信息在内的全部信息。该类仪器系统内部不存在移动部件或其他动态调节组件，抗干扰能力强，且成像速度快，因此适用于移动速度较快的目标物体，并且可以达到实时监测的目的。