高光谱成像结合了成像和光谱。存在许多不同的光学架构,用于制造高光谱系统,但是最终目标是相同的 - 使图像中的每个像素包含来自许多光谱频带的信息(许多不同颜色或波长)。

Making good hyperspectral systems is not easy, but, if you only have quality in mind, your highest priority should be the spectral fidelity in each pixel – i.e. the spectrum captured by one pixel is an actual physical representation of the scene imaged by that specific pixel. There are many key quality parameters that influence the spectral fidelity of a hyperspectral system. The influence on the spectral fidelity from the different key-quality parameters depends on many factors but, in general, the most important parameters are:

  • 空间误入歧手

  • 光谱误入歧手

  • 梯队

  • F#

  • 光谱响应功能

  • 探测器参数

  • 环境稳定性

为了评估高光谱系统的性能,我们需要介绍术语点传播功能(PSF)。这是从点源通过光学击中检测器的能量的强度曲线的形状。

高光谱相机校准。

理想情况下,在一个推流器高光谱系统中,所有频段都是相同的空间采样。实际上,这绝不是真实的,并导致空间误解。

对于FOV中的一个位置,PSF的重心的形状,尺寸和位置应该在所有频段上都是相同的。设计目标是使PSF形状和尺寸与FOV中的所有位置一样类似的。在现实生活中,空间误解本身1以及导致空间重组的不同来源2具有重要的意义,可以说明其引力的差异3.可以危及数据处理结果。

由梯形(红色)引起的场景中的最大误差,PSF宽度(蓝色)的差异,以及15个模拟相机的PSF形状(绿色)的差异。2

光谱误读对于高光谱系统的光谱保真度也非常重要。与空间误解一样,光谱PSF的形状,尺寸和位置很重要。为避免光谱混叠,PSF的宽度应保持接近两个光谱带,但在许多情况下,比这更清晰地是优选的。

每个像素和每个频段制作尖光的原因很多。对于任何给定的检测器,具有给定的检测器间距,成像光谱仪将始终输出具有尖光的更多信息。另一方面,使用多个像素对PSF进行采样提供有关PSF的更多信息,但对于给定的检测器,它将降低系统的分辨率。任何给定的光学系统都将始终输出更多信息,每个点传播功能的像素越多(PSF)4.

高光谱相机与激光雷达解决方案集成。

在决定制造哪些系统或为用户提供时,有许多权衡的权衡。光学器件的锐度是其中之一。

另一个键质量参数是光学系统的晶体闪光灯。一般来说,梯形灯灯是从不应该的地方到达探测器的光。这可能是由于光学器件内的反射,从光学表面散射,机械表面上的反射等。衍射效果也可以不同于不同的光谱范围。目前如何衡量高光谱系统的跨界系统,不同的供应商不同的行业标准。

光学元件的光聚集能力通常是一个非常重要的参数(低f#)。系统中的空间像素和频谱频带越多,达到每个像素/频带的光越少。这意味着需要高分辨率高光谱成像系统是非常轻微的敏感。此参数可能因平台而异。如果高光谱系统部署在飞机上或在工业环境中,速度通常是一个重要的参数,并且低f#对整个光谱范围获得良好的信噪比(SNR)非常重要。相反,实验室应用程序通常可以通过使用较慢的图像捕获速率来收集更多的光线,并通过集成更长时间,这允许在光圈上具有更大的灵活性。

脂肪末端的最终辐射校准。重要的是校准是可追溯和稳定的。

整个光谱范围的高SNR是高光谱系统的一个非常重要的参数,以及高SNR如何取决于整个系统的光谱响应功能。峰值SNR仅指定接近饱和度的频段的最大SNR,因此不会给出整个故事。还需要知道整个系统的总量子效率是波长的函数。为了提供有用的信息,需要为给定的输入辐射和给定的(和可操作的逼真/相关)集成时间/曝光来指定SNR曲线。

探测器是高光谱系统的重要组成部分,并且在许多情况下,定义了光学系统的设计目标。SWIR谱范围(900-2500nm)具有非常有限数量的可用探测器,并且价格随着检测器的像素数增加而急剧增加。这是一个场景,光学器件专为探测器设计,并且通常被设计为尽可能锐度。

对于VNIR范围(400-1000nm),可以选择有很多探测器,并且可以选择使光学系统最有意义的检测器。对于VNIR和SWIR范围,探测器的许多参数非常重要。这些是全井容量,噪音,读出模式,读出速度,像素间距,量子效率,作为波长的函数,还有更多。探测器市场不断变化,高光谱厂商很重要,以跟上探测器市场,以整合最佳探测器。

高光谱成像仪安装在内华达州铜矿山的无人机上。(照片由加拿大的Echo Labs提供。)

所使用的校准程序和标准(包括精度)应适用于用户,并且具有可追溯至NIST或PTB标准(或类似)的辐射校准是非常重要的。

任何高光谱系统都需要在受控环境之外保持稳定和准确的辐射率和光谱校准。如果在运输和运输过程中,具有完美校准的系统,具有完美校准的系统,可以留下完美校准的系统。这意味着光谱,辐射测量和几何校准必须在不同的温度,压力和重度振动下稳定,以确保系统将在要求的条件下提供可重复且可靠的结果,例如UAV操作。5,6

一个5个高光谱飞行线的马赛克。

很难从供应商的顶级数据表中​​区分不同的高光谱系统。当从不同制造商(来自同一制造商的不同模型或不同模型)的系统进行比较时,请通过供应商提供指定该特定摄像机模型的上述参数的详细报告。此外,建议从对用户应用程序相关的场景请求示例数据。

目前有一个动作来制定用于表征超光相机的共同标准,由IEEE组织7.。HYSPEX正在支持和大量参与本集团,旨在使产品更加透明地对高光谱成像系统的最终用户。

这篇文章是由TrondLøke,首席执行官,Norsk Elektro Optikk,As(奥斯陆,挪威)编写的。有关更多信息,请联系此电子邮件地址受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用Javascript来查看它。或者访问这里

参考

  1. https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/8706/1/resampling-hyperspectral-cameras-as-an-alterternatived-to-correcting-keysthe/10.1117/12.2015491.short.
  2. https://www.spiedigitallibrary.org/journals/optical-engineering/volume-59/issue-08/084103/sspatial-misregistration-08/084103/sspatial-misregistration-in-hyperspectral-cameras-lab-charraction-and-impact/10.1117/1.oe。59.8.084103.full?sso = 1
  3. https://www.hyspex.com/keystone/
  4. https://www.hyspex.com/sharp_optics_many_pixels/
  5. https://www.hyspex.com/scientific_grade_uav/
  6. https://www.hyspex.com/quality_vs620/
  7. https://standards.ieee.org/project/4001.html.

Photonics&Imaging Technology杂志

本文首先出现在3月份,2021号问题光子和成像技术杂志。

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