在军事,工业和科学的竞技场过去十年中,高光谱成像越来越受欢迎。精确表征观看物品的颜色的能力,无论是伪装的车辆,臂上还是果实上的瘀伤,或宽阔的植被,允许用户做出过去梦寐以求的明智决策。一旦需要大,精致,昂贵的实验室光谱仪现在正在实时完成卫星,无人驾驶飞行器和便携式手持设备。

背景和进步

图1.来自kokaly et.al的阿富汗高光谱矿物数据
高光谱成像是在非常大量的波长下捕获和处理图像。虽然多光谱成像可能会在三种或四种颜色(红色,绿色,蓝色和近红外(NIR)中评估图像,但高光谱成像将图像分成数十或数百种颜色。

扩展视觉系统以创建更多“垃圾箱”可以特别复杂。1999年,沉积科学,Inc。(DSI)已收缩以涂覆一系列16分束器。这些分束器被配置为四个主光链,每个链条配置有四个二次链,导致十六个离散的光路,每个光路在单独的检测器处终止。最终结果是覆盖400-900nm的波长范围的十六通道光谱成像系统。每个光学元件必须保持大于98%的透射率和反射率,以确保探测器的最终信号电平至少为90%。虽然该系统工作如同设计,但它很大,昂贵,细腻。它适用于所需的台式示范,但不适用于当今传感器系统所需的许多现场应用程序。

将系统与2007年美国USGS收集的高光谱数据进行比较1。使用空中Hymap系统Hyvista公司,USG调查在大约440,000公里处产生了表面矿物分布的详细地图2(172,000 mi2)。在本调查中确定并映射了三十一类不同的材料。结果的子集如图1所示。这些数据在一系列28个飞行中收集,在一个仪器中使用四种不同的模块来覆盖0.43至2.48微米的光谱范围。在128个色带上处理图像,每个都是14-20 nm宽。调查的完整细节,包括对方法论的讨论,可以找到USGS网站

启用技术

有两个广泛的技术领域,使得高光谱成像的开发和推进。它们是开发廉价,高质量的衍射光栅和多维数据处理的进步。为了了解这些技术如何改善了高光谱成像的状态,有必要简要介绍电流系统的运行方式。请注意,这是一般性讨论。提供乐器或服务的大多数公司都有独特的专有方法,可以区分另一个。我们只能查看一个简化的系统,标识了一些关键功能。这种简化的系统如图2所示。

大多数高光谱成像系统由成像光学器件,窄狭缝,衍射光栅和二维​​焦平面阵列(FPA)检测器(通常是CCD或CMOS)组成。通过狭缝将图像投影到衍射光栅上,其中光被分成离散波长并且在突出到焦平面阵列之前物理分离。FPA的一个尺寸对应于光的波长,由衍射光栅分开。其他尺寸对应于沿狭缝的“垂直”位置。

在每个X-Y坐标处,基于该位置和波长的光的强度,像素通电到某种水平。结果是每个窄狭缝宽度的三维阵列(狭缝,波长和强度的位置)。通过索引狭缝宽度,可以将整个图像映射到4维数组中。可以通过移动狭缝或移动传感器设备来完成该索引(称为“推通”)。在上面引用的阿富汗的USGS调查的情况下,每个狭缝宽度对应于单个飞行线或飞机的通过。确定要使用的重叠,以及用于校准的已知标准或功能,在获得可靠数据方面都至关重要。

图2.诺拉克电光偏光的一般高光谱测量系统的原理图
这项过程工作是高质量,轻质和实惠的衍射光栅。衍射光栅已用于各种光谱装置数百年。从历史上看,它们在高品质的玻璃上被精确膨胀。它们脆弱,昂贵。今天的大多数高光谱成像系统使用精密加工母料的高质量聚合物光栅。它们更耐用,更便宜,与仪器的仪器更便宜和一致。衍射光栅的一个限制通常,它们通常限于单个订单,这意味着它们对于有限波长范围(通常在200 - 800nm的量级,在IR带中的稍微略大)是有效的。如果您希望通过更广泛的频谱范围收集数据,这通常意味着您必须使用多个模块,因为USGS在上面做到了。

第二件高光谱成像拼图是高速计算机数据分析的巨大改进。实际上,每个系统供应商都有一个ReadyDade软件包,它在GPS坐标中联系,交织推送推荐数据(正确考虑重叠),自动检查已知的功能,并且能够以每秒超过500帧(FPS)的循环运行。这种能力绝对是至关重要的,使跳跃处理单行数据来处理整个复合图像。上面引用的USGS工作产生了超过800万像素的数据。

现有技术

为本物品调查的许多供应商生产具有至少100个频带的系统,频谱范围为100频段,最大宽度为1-5 nm的半部最大(fwhm)带宽。帧捕获速率从100 - 600 FPS运行。当然,实际性能高度依赖于系统配置参数,例如衍射光栅的特性,视野和所使用的传感器的类型。IR传感器一般必须冷却,增加了装置的尺寸和重量。

图3.沉积在200mm晶片上的4色图案化过滤器的示例。由4个过滤器组成的每个元件被切割并安装在探测器组上。(照片由沉积科学,Inc。)
选择高光谱成像系统时必须仔细考虑应用程序。在许多情况下,如果限制光谱数据范围或信号质量,则选择最高分辨率不是最佳选择。如上所述,衍射光栅基于其操作物理的限制。高分辨率光栅往往具有更有限的带宽。如果您的应用要求在宽的光谱范围内处理10或20个特定条带,请考虑使用薄膜过滤器,在许多情况下,可以直接沉积在有源传感器装置上。这些过滤器可以调整到应用程序所需的精确中心波长和带宽。这些薄膜图案化过滤器的一个例子如图3所示。

十五年短期,该行业在高光谱成像中取得了很大进展。农业,自然资源和生物科学等领域已领导。执法,航空航天和防御可以利用该知识库,以定义和获得架子上的高光谱成像系统。除了本文中引用的资源,高光谱成像基础建立在2012年,是讨论的优秀信息和平台存储库。

本文是由Kevin P. Gibbons,计划经理,政府产品组,Secosition Sciences,Inc。(DSI®)(Santa Rosa,CA)编写的。有关更多信息,请联系Gibbons先生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。或访问http://info.hotims.com/49743-201

参考

  1. Kokaly, R.F., King, T.V.V., Hoefen, T.M., Dudek, K.B., and Livo, K.E., 2011, Surface materials map of Afghanistan: carbonates, phyllosilicates, sulfates, altered minerals, and other materials: U.S. Geological Survey Scientific Investigations Map 3152–A, one sheet, scale 1:1,100,000. Also available athttp://pubs.usgs.gov/sim/3152/a/
  2. Norak Electro Optik,Solheimsveien 62a,N-1473 Lorenskog,挪威;http://www.hyspex.no.

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本文首先出现在2014年3月期刊上Photonics技金宝搏官网术简报杂志。

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