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(guò)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(lái)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(guò)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(lái)“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(guò)一個(gè)接一個(gè)地交換過(guò)濾器來(lái)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(wú)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(wú)需任何掃描。形象地說(shuō)，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(wú)需進(jìn)一步計(jì)算。作為這些系統(tǒng)的缺點(diǎn)，從未獲取過(guò)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(guò)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)。可以通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)掃描?？臻g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)。