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多光谱,高光谱,超光谱成像系统之间原理及关键器件的区别

发布时间:2020-05-27 11:48:44 浏览量:47


光谱成像技术,有时又称成像光谱技术,融合了光谱技术和成像技术,交叉涵盖了光谱学、光学、计算机技术、电子技术和精密机械等

多种学科,能够同时获得目标的两维空间信息和一维光谱信息。


光谱成像技术发展到今天,出现的光谱成像仪的种类和数量己经具有较大规模,因而可以从光谱分辨率、信息获取方式(扫描方式)、

分光原理和重构理论等不同的视角对光谱成像技术进行分类。


多光谱高光谱,超光谱,这些在光谱成像领域大家耳熟能详的名词看起来仅一字之差,实际上他们到底会有什么样的区别呢,我们来看下面这个表格

多、高、超光谱的比较


从图中我们可以看出所谓的多光谱,高光谱,超光谱三者之间的区别主要在于在相同波段下光谱的分辨率以及光谱通道个数。就拿可见

光波段380nm-780nm来说,多光谱的光谱分辨率一般在几十个nm左右,通道数只有几个,通常情况下通道数不会超过10个。高光谱

的光谱分辨率一般都在几个nm的水平,通道数一般都在上百个。对于超光谱来说,光谱分辨率都在一个纳米一下,因为光谱分辨率很

高,所以通道一般都是连续的,通道数都会很高。


在分光原理上,多光谱,高光谱,超光谱三者也是不相同的,多光谱由于通道数较少,一般都采用带通滤色片的方法,一般常见的有

用滤色片转轮,或者多个相机通道,每个通道使用不同的滤色片(如下图) 


近些年还有一种新的多光谱技术是基于相机sensor的像素点镀膜的技术,在相机的每个像素点上进行镀膜,相当于给相机的每个像素

点都加上了微型的滤色片



上图我们可以明显的看出基于镀膜的多光谱成像设备在体积和重量上相比于传统的多光谱成像设备有无可比拟的优势,不过基于镀膜的

多光谱成像设备也有其劣势,由于每个像素点的镀膜不同,不同像素点对应不同波长通道,使得单通道的像素点减少,图像的空间分辨

率会有所下降。基于多通道的多光谱成像设备和像素点镀膜的多光谱设备由于这两种设备的体积和重量都非常的小巧,十分适合于搭载

无人机设备上使用。


传统的高光谱成像系统的实现是依靠于声光可调谐滤波器(Acousto-Optic Tunable Fliter)


或者液晶可调谐滤波器(Liquid-Crystal tunable Fliter) 

这些图片都只是滤波器件,并不是完整的高光谱成像设备,还缺少相应的镜头,接口,成像相机,电路等组成部分,高光谱成像设备虽

然在光谱方面比起多光谱设备有了飞跃性的提升,但其体积,重量以及价格都比多光谱设备高出不少。而且由于重量过重,一般都只是

在地面上使用高光谱设备,不会去搭载到空中去使用。


超光谱设备一般都是基于光栅单色仪实现的,其中根据使用光栅种类的不同又分为普通光栅单色仪也就是机械刻划的光栅单色仪的超光

谱成像系统 


和基于体布拉格光栅(VBG)的单色仪(LLTF)制成的超光谱成像系统

 

这两类的超光谱具有超高的光谱分辨率,所以通道数对于这两类设备一般没有太大的意义,大家比较常见的都是比较光谱分辨率和使用

波段,这两种之间又会有一些差异, 基于刻划光栅的超光谱的光谱分辨率的极限会比基于体布拉格光栅的超光谱的光谱分辨率还要

高,一般而言刻划光栅的超光谱分辨率最好的情况下可以到0.02nm-0.05nm这个数量级的水平,体布拉格光栅的超光谱极限分辨率一

般都在0.6-2nm这个水平,虽然在光谱分辨率极限上刻划光栅类型的超光谱设备有优势,但在相同的光谱分辨率下,体布拉格光栅的成

像设备在通光量要比机械刻划光栅的成像设备高2-3倍。在体积和重量上,超光谱设备比高光谱设备还要大和重,相应的价格也会高不

少,由于成像原理的使得超光谱成像时间一般都会比较长,并且仪器防震性一般,超光谱设备一般都是在实验室环境来进行使用。


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