高光譜相機(jī)：提升光譜分辨率的新技術(shù)

一、光譜分辨率的概念

光譜分辨率

指?jìng)鞲衅鹘邮漳繕?biāo)輻射的波譜時(shí)能分辨的最小波長(zhǎng)間隔，間隔越小，分辨率越高。光譜分辨率被嚴(yán)格定義為儀器在達(dá)到50%光譜響應(yīng)時(shí)在波長(zhǎng)方向的寬度（波段寬度，Bandwidth）。光譜分辨率是光譜儀器對(duì)光譜信號(hào)的解析能力，即測(cè)量某一波長(zhǎng)范圍內(nèi)光譜信號(hào)的精細(xì)程度。具體指成像的波段范圍,光譜分辨率越高，儀器對(duì)光譜信號(hào)的解析能力就越強(qiáng)，能夠分辨出更多的細(xì)節(jié)和信息，現(xiàn)在的技術(shù)可以達(dá)到5~6nm(納米)量級(jí),400多個(gè)波段。

光譜分辨率spectral resolution含義

定義(1)：遙感器能分辨的最小波長(zhǎng)間隔，是遙感器的性能指標(biāo)。遙感器的波段劃分得越細(xì)，光譜的分辨率就越高，遙感影像區(qū)分不同地物的能力越強(qiáng)。

定義(2)：多光譜遙感器接收目標(biāo)輻射信號(hào)時(shí)所能分辨的最小波長(zhǎng)間隔。

光譜分辨率指成像的波段范圍，分得愈細(xì)，波段愈多，光譜分辨率就愈高，現(xiàn)在的技術(shù)可以達(dá)到5~6nm（納米）量級(jí)，400多個(gè)波段。細(xì)分光譜可以提高自動(dòng)區(qū)分和識(shí)別目標(biāo)性質(zhì)和組成成分的能力。

傳感器的波譜范圍，一般來(lái)說(shuō)識(shí)別某種波譜的范圍窄，則相應(yīng)光譜分辨率高。 舉個(gè)例子：可以分辨紅外、紅橙黃綠青藍(lán)紫紫外的傳感器的光譜分辨率就比只能分辨紅綠藍(lán)的傳感器的光譜分辨率高。

一般來(lái)說(shuō)，傳感器的波段數(shù)越多波段寬度越窄，地面物體的信息越容易區(qū)分和識(shí)別，針對(duì)性越強(qiáng)。

光譜分辨率在多光譜、高光譜、超光譜

(1)多光譜成像——光譜分辨率在 delta_lambda/lambda=0．1mm數(shù)量級(jí)，這樣的傳感器在可見(jiàn)光和近紅外區(qū)域一般只有幾個(gè)波段。

(2)高光譜成像—— 光譜分辨率在 delta_lambda/lambda=0．01mm數(shù)量級(jí)，這樣的傳感器在可見(jiàn)光和近紅外區(qū)域有幾十到數(shù)百個(gè)波段，光譜分辨率可達(dá)nm級(jí)。

(3)超光譜成像—— 光譜分辨率在delta_lambda/lambda =0．001mm數(shù)量級(jí)，這樣的傳感器在可見(jiàn)光和近紅外區(qū)域可達(dá)數(shù)千個(gè)波段。

光譜分辨率光譜范圍：

(1)多光譜：光譜分辨率在10-1λ數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)稱為多光譜(Multi-spectral)。包括：可見(jiàn)光、紫外光、紅外光

(2)高光譜：光譜分辨率在10-2λ數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)稱為高光譜(Hyper-spectral)。在電磁波譜的紫外、可見(jiàn)光、近紅外和中紅外區(qū)域，以數(shù)十至數(shù)百個(gè)連續(xù)且細(xì)分的光譜波段對(duì)目標(biāo)區(qū)域同時(shí)成像

(3)紅外光譜：通常將紅外光譜分為三個(gè)區(qū)域：近紅外區(qū)(0.75-2.5μm)、中紅外區(qū)(2.5-25μm)和遠(yuǎn)紅外區(qū)(25-1000μm)。一般說(shuō)來(lái)，近紅外光譜是由分子的倍頻、合頻產(chǎn)生的；中紅外光譜屬于分子的基頻振動(dòng)光譜；遠(yuǎn)紅外光譜則屬于分子的轉(zhuǎn)動(dòng)光譜和某些基團(tuán)的振動(dòng)光譜。

由于絕大多數(shù)有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的基頻吸收帶都出現(xiàn)在中紅外區(qū)，因此中紅外區(qū)是研究和應(yīng)用最多的區(qū)域，積累的資料也最多，儀器技術(shù)最為成熟。通常所說(shuō)的紅外光譜即指中紅外光譜。

二、光譜分辨率的工作原理

光譜分辨率是通過(guò)光譜儀器中的色散元件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。色散元件的作用是將光譜信號(hào)按照波長(zhǎng)分散成不同的波段，使得每個(gè)波段內(nèi)的光譜信號(hào)可以被單獨(dú)收集和分析。光譜儀器中的色散元件通常是棱鏡或光柵，它們可以將光譜信號(hào)分解成不同的波長(zhǎng)成分，并在探測(cè)器上形成不同的信號(hào)峰。

三、光譜分辨率的應(yīng)用領(lǐng)域

光譜分辨率在物質(zhì)識(shí)別、分析和監(jiān)測(cè)方面有著廣泛的應(yīng)用。

物質(zhì)識(shí)別：光譜分辨率高的光譜儀器能夠分辨出物質(zhì)吸收、發(fā)射光譜的細(xì)微差異，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物質(zhì)的準(zhǔn)確識(shí)別。例如，在遙感領(lǐng)域，高光譜相機(jī)可以通過(guò)分析地物反射光譜圖像來(lái)識(shí)別不同的植被類型、地質(zhì)環(huán)境和水體成分。

成分分析：光譜分辨率高的光譜儀器能夠?qū)ξ镔|(zhì)中的不同成分進(jìn)行定量分析。例如，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，高光譜相機(jī)可以通過(guò)分析人體組織反射光譜來(lái)定量分析其中的化學(xué)成分，有助于疾病診斷和治療。

環(huán)境監(jiān)測(cè)：光譜分辨率高的光譜儀器能夠?qū)Νh(huán)境污染物進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別和監(jiān)測(cè)。例如，在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中，高光譜儀器可以分析大氣中的各種氣體成分，有助于了解大氣污染的程度和種類。

四、高光譜相機(jī)的工作原理

高光譜相機(jī)是一種新型傳感器，它通過(guò)多路、連續(xù)并具有高光譜分辨率方式獲取圖像信息。它基本上屬于多光譜掃描儀，其構(gòu)造與 CCD 線陣列推掃式掃描儀和多光譜掃描儀相同，區(qū)別僅在于通道數(shù)多，各通道的波段寬度很窄。

高光譜相機(jī)按其結(jié)構(gòu)的不同，可分為兩種類型。一種是面陣探測(cè)器加推掃式掃描儀的成像光譜儀，它利用線陣列探測(cè)器進(jìn)行掃描，利用色散元件和面陣探測(cè)器完成光譜掃描。利用線陣列探測(cè)器及其沿軌道方向的運(yùn)動(dòng)完成空間掃描。另一種是用線陣列探測(cè)器加光機(jī)掃描儀的成像光譜儀，它利用點(diǎn)探測(cè)器收集光譜信息，經(jīng)色散元件后分成不同的波段，分別在線陣列探測(cè)器的不同元件上，通過(guò)點(diǎn)掃描鏡在垂直于軌道方向的面內(nèi)擺動(dòng)以及沿軌道方向的運(yùn)動(dòng)完成空間掃描，而利用線探測(cè)器完成光譜掃描。

五、高光譜遙感數(shù)據(jù)特點(diǎn)： 光譜分辨率高

光譜分辨率高，能反映地物光譜的細(xì)微特征。與地面光譜輻射計(jì)相比，成像光譜儀不是在“點(diǎn)”上的光譜測(cè)量，而是在連續(xù)空間上進(jìn)行光譜測(cè)量，因此它是光譜成像的； 與傳統(tǒng)多光譜遙感相比，其光譜通道不是離散而是連續(xù)的， 因此從它的每個(gè)像元均能提取一 條平滑而完整的光譜曲線。

高光譜遙感器——成像光譜儀，能獲得整個(gè)可見(jiàn)光，近紅外，短波紅外，熱紅外波段的多而窄的連續(xù)光譜，波段數(shù)多至幾十甚至數(shù)百個(gè)，光譜分辨率可以達(dá)到納米級(jí)，一般為10-20nm，個(gè)別達(dá)2.5nm。

六、高光譜相機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

高光譜相機(jī)在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在遙感領(lǐng)域，高光譜相機(jī)可以用于地信、測(cè)繪、資環(huán)等方面，能夠提供更豐富、更準(zhǔn)確的地物信息。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，高光譜相機(jī)可以用于檢測(cè)皮膚癌、乳腺癌等疾病，有助于早期發(fā)現(xiàn)和治療疾病。在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，高光譜相機(jī)可以用于監(jiān)測(cè)水污染、大氣污染等，能夠提供更精細(xì)、更準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

高光譜相機(jī)作為一種新技術(shù)，具有很高的光譜分辨率，能夠提供更豐富、更準(zhǔn)確的信息。它將在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，推動(dòng)科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展。