• 咨询热线:400-888-5135

高光谱成像技术的原理及应用领域介绍

时间:2024-01-30 点击:167次

高光谱成像技术是一种新兴无损检测技术,它能够同步获取待测样本在紫外到近红外光谱覆盖范围内的空间信息和光谱信息,具有“图谱合一”的特点,被广泛的应用于不同行业样品的内外品质检测。本文对高光谱成像技术的原理及应用领域做了介绍。

高光谱成像仪

高光谱成像技术的原理:

高光谱系统中的每个像元均可获取同一个光谱区间内几十到几百个连续的窄波段信息,并得到一条平滑而完整的光谱曲线,同时整个成像系统还可获取被测物的空间信息,实现对待测物内部成分与外观特征的同时检测,具有光谱连续与分辨率高等特点。

高光谱成像系统整体结构图

典型的高光谱成像系统如上图所示,主要包括光源、成像光谱仪、CCD相机、计算机与载物台等。其中,光源为整个系统提供照明,一般由两个卤素灯组成。成像光谱仪中的光学元件把输入的宽带光分散成不同频率的单色光,并将其投射到CCD相机上实现光谱成像。载物台用于放置待测物品,整个系统由计算机进行控制。

系统获取的高光谱图像可用一段连续波段的光学图像组成的立体三维图像来表示,如下图所示。其中XY平面的二维图像表示物体的空间信息,如形状大小、缺陷等。由于物品外部变化会影响反射光谱,故形状、颜色或缺陷在某一特定的波长下图谱会有变化。λ坐标表示物体的光谱信息,将反映出待测物成分结构等内部品质。

高光谱三维立体图像


高光谱成像技术的特点:

高光谱成像技术作为目前常用的检测手段之一,它具有以下特点:

1.具有特别高的光谱分辨率

高光谱成像技术采样间隔在10nm左右,能反映待测样品的细微特征,可以为检测、预测提供很好的实验依据。

2.波段多

在可见-近红外区间具有数百个波段。

3.数据量大

在同一波长范围,高光谱技术可将光谱区间分为数百个波段,数据量特大量增加,加大对样品分析的可能性。

4.冗余信息增加

在精细化波段的同时,波段间的相关性随之增加,冗余信息含量增多。

5.同时提供图像信息和光谱信息

依据高光谱成像技术的原理,它将二维成像技术与一维光谱曲线结合构成三维数据,多方面采集样品特征。


高光谱成像技术的应用领域:

光谱成像技术作为一门近三十年内兴起的新兴的综合技术,广泛应用于海洋研究、大气探测、植被研究、地质研究、生物医学、农畜产品品质检测以及文物鉴定保护等多个领域,下面将分别阐述光谱成像技术在这些领域的应用情况。

1、海洋研究中的应用

随着光谱成像技术的不断发展,成像光谱仪的分辨率也在不断提高目前已达到纳米级别,因此可以利用光谱成像仪去检测海洋和湖泊的水质,“海洋窗口”是指450~600nm的蓝光至黄光波段,利用这个波段可以很好的观测海洋和湖泊中浮游生物、沉积性悬浮物、叶绿素分布等情况。

2、大气探测中的应用

光谱成像技术在大气探测中的应用主要分为两个方面:一方面,检测大气中温室气体的含量,如二氧化碳、臭氧及污染气体;另一方面,确定大气温度和水汽垂直分布的情况,进行大气过程研究和地球表面成分分析等。大气探测对光谱成像仪的光谱分辨率要求较高,通常采用超光谱成像仪。

3、植被研究中的应用

利用高光谱数据可以分析得到植物叶子和植冠中的化学成分,通过观测这些化学成分的变化,从而监测大气和环境的变化引起的植物功能变化。

4、地质研究中的应用

光谱成像技术最初被应用于矿物探测、岩矿识别、油气渗漏监测和矿产环境监测,这也是最初高光谱遥感应用的最成功的领域。

5、生物医学中的应用

随着基因医学、分子生物学等生物医学领域的快速发展,对分析检测也提出更高的要求,不再满足于传统的定性和定量分析,“综合形态分析”的概念于1999年在匹兹堡化学与光谱学会议上被提出。综合形态分析要求提供观测样本中的生化成分或者化学成分的定量分布影像以及其变化信息。光谱成像技术可以满足综合形态分析、定性和定量等要求,因此具有极大的学术价值和应用价值,在生物医学的各个领域有广泛的应用前景。

6、农畜产品品质检测中的应用

从二十一世纪初开始,光谱成像技术在农畜产品品质检测领域显现出了巨大的潜力,尤其是在对农产品的内外品质检测方面,光谱成像技术在农畜产品品质检测的研究中,主要是对苹果品质的检测,例如表皮污染、硬度、糖度、缺陷以及可溶性固体物方面的检测,其次是小麦和黄瓜品质的检测,以及鸡肉表面污染的检测。其他检测对象包括:马铃薯、柑橘、猪肉、梨子、蘑菇等等。通过高光谱数据提取农产品表面颜色、结构以及组分的信息,同时获取对象内部的一些信息,实现农产品品质的预测。

7、文物鉴定保护中应用

不同的文物具有不同的分子结构和年代特征,因此在一定的光谱波段范围有不同的自然发光光谱、吸收光谱、散射光谱、受激发射光谱的特性,不同的文物由于具有不同的分子结构特征和年代特征都具有各自的特征波长,将这些特征波长作为检测和鉴定文物的指纹。光谱成像技术可以获得检测和鉴定文物的指纹,并给出一定光谱波段范围的光谱图像。

QQ咨询

在线咨询真诚为您提供专业解答服务

咨询热线

400-888-5135
7*24小时服务热线

返回顶部