高光譜成像掃描技術(shù)的幾種類型

高光譜成像獲取高光譜立方體的三維 ( x , y , λ ) 數(shù)據(jù)集有四種基本技術(shù)。技術(shù)的選擇取決于具體的應(yīng)用，因?yàn)槊糠N技術(shù)都有上下文相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。本文主要介紹了高光譜成像掃描技術(shù)的幾種類型。

空間掃描

在空間掃描中，每個(gè)二維 (2-D) 傳感器輸出代表一個(gè)完整的狹縫光譜 ( x , λ )。用于空間掃描的高光譜成像 (HSI) 設(shè)備通過將場(chǎng)景的條帶投影到狹縫上并使用棱鏡或光柵分散狹縫圖像來獲得狹縫光譜。這些系統(tǒng)的缺點(diǎn)是按行分析圖像(使用推掃式掃描儀)，并且還有一些機(jī)械部件集成到光學(xué)系統(tǒng)中。使用這些線掃描相機(jī)，通過平臺(tái)移動(dòng)或掃描收集空間維度。這需要穩(wěn)定的支架或準(zhǔn)確的指向信息來“重建”圖像。盡管如此，線掃描系統(tǒng)在遙感中特別常見，使用移動(dòng)平臺(tái)是明智的。線掃描系統(tǒng)還用于掃描傳送帶上移動(dòng)的材料。線掃描的一個(gè)特例是點(diǎn)掃描(使用掃帚掃描儀)，其中使用點(diǎn)狀孔徑而不是狹縫，并且傳感器本質(zhì)上是一維的而不是二維的。

光譜掃描

在光譜掃描中，每個(gè)二維傳感器輸出代表場(chǎng)景的單色(“單色”)空間(x，y )地圖。用于光譜掃描的 HSI 設(shè)備通?；诠鈱W(xué)帶通濾波器(可調(diào)或固定)。在平臺(tái)保持靜止的情況下，通過一個(gè)接一個(gè)地交換過濾器來對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行光譜掃描。在這種“凝視”波長(zhǎng)掃描系統(tǒng)中，如果場(chǎng)景中有運(yùn)動(dòng)，就會(huì)發(fā)生光譜拖尾，從而使光譜相關(guān)/檢測(cè)無效。盡管如此，還是有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即能夠挑選和選擇光譜帶，并直接表示場(chǎng)景的兩個(gè)空間維度。如果成像系統(tǒng)用在移動(dòng)平臺(tái)上，例如飛機(jī)，不同波長(zhǎng)的采集圖像對(duì)應(yīng)于場(chǎng)景的不同區(qū)域。每個(gè)圖像上的空間特征可用于重新對(duì)齊像素。

非掃描

在非掃描中，單個(gè)二維傳感器輸出包含所有空間 ( x , y ) 和光譜 ( λ ) 數(shù)據(jù)。用于非掃描的 HSI 設(shè)備立即生成完整的數(shù)據(jù)立方體，無需任何掃描。形象地說，單個(gè)快照代表數(shù)據(jù)立方體的透視投影，從中可以重建其三維結(jié)構(gòu)。這些快照高光譜成像系統(tǒng)最突出的優(yōu)勢(shì)是快照優(yōu)勢(shì)(更高的光通量)和更短的采集時(shí)間。已經(jīng)設(shè)計(jì)了許多系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)斷層掃描成像光譜儀(CTIS)、纖維重新格式化成像光譜儀(FRIS)、小透鏡陣列積分場(chǎng)光譜儀(IFS-L)、多孔徑積分場(chǎng)光譜儀 (Hyperpixel Array)、圖像切片鏡積分場(chǎng)光譜儀(IFS-S)、圖像復(fù)制成像光譜儀 (IRIS)、濾光片疊加光譜分解 ( FSSD)、編碼孔徑快照光譜成像(CASSI)、圖像映射光譜法(IMS)和多光譜薩格納克干涉法(MSI)。然而，計(jì)算工作量和制造成本都很高。為了減少非掃描高光譜儀器的計(jì)算需求和潛在的高成本，已經(jīng)展示了基于多元光學(xué)計(jì)算的原型設(shè)備。這些設(shè)備已基于多元光學(xué)元件光譜計(jì)算引擎或空間光調(diào)制器光譜計(jì)算引擎。在這些平臺(tái)中，化學(xué)信息在成像之前在光學(xué)域中計(jì)算，因此化學(xué)圖像依賴于傳統(tǒng)的相機(jī)系統(tǒng)，無需進(jìn)一步計(jì)算。作為這些系統(tǒng)的缺點(diǎn)，從未獲取過光譜信息，即僅獲取化學(xué)信息，因此不可能進(jìn)行后處理或再分析。

空間光譜掃描

在空間光譜掃描中，每個(gè)二維傳感器輸出表示場(chǎng)景的波長(zhǎng)編碼(“彩虹色”，λ = λ ( y ))空間 ( x , y ) 地圖。該技術(shù)的原型于 2014年推出，由位于基本狹縫分光鏡(狹縫 + 色散元件)后面某個(gè)非零距離的相機(jī)組成。通過在空間掃描系統(tǒng)之前放置色散元件可以獲得高級(jí)空間光譜掃描系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^相對(duì)于場(chǎng)景移動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)、單獨(dú)移動(dòng)相機(jī)或單獨(dú)移動(dòng)狹縫來實(shí)現(xiàn)掃描。空間光譜掃描結(jié)合了空間和光譜掃描的一些優(yōu)點(diǎn)，從而減輕了它們的一些缺點(diǎn)。