高光谱相机：提升光谱分辨率的新技术

高光谱相机：提升光谱分辨率的新技术

一、光谱分辨率的概念

光谱分辨率

指传感器接收目标辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔，间隔越小，分辨率越高。光谱分辨率被严格定义为仪器在达到50%光谱响应时在波长方向的宽度（波段宽度，Bandwidth）。光谱分辨率是光谱仪器对光谱信号的解析能力，即测量某一波长范围内光谱信号的精细程度。具体指成像的波段范围,光谱分辨率越高，仪器对光谱信号的解析能力就越强，能够分辨出更多的细节和信息，现在的技术可以达到5~6nm(纳米)量级,400多个波段。

光谱分辨率spectral resolution含义

定义(1)：遥感器能分辨的最小波长间隔，是遥感器的性能指标。遥感器的波段划分得越细，光谱的分辨率就越高，遥感影像区分不同地物的能力越强。

定义(2)：多光谱遥感器接收目标辐射信号时所能分辨的最小波长间隔。

光谱分辨率指成像的波段范围，分得愈细，波段愈多，光谱分辨率就愈高，现在的技术可以达到5~6nm（纳米）量级，400多个波段。细分光谱可以提高自动区分和识别目标性质和组成成分的能力。

传感器的波谱范围，一般来说识别某种波谱的范围窄，则相应光谱分辨率高。 举个例子：可以分辨红外、红橙黄绿青蓝紫紫外的传感器的光谱分辨率就比只能分辨红绿蓝的传感器的光谱分辨率高。

一般来说，传感器的波段数越多波段宽度越窄，地面物体的信息越容易区分和识别，针对性越强。

光谱分辨率在多光谱、高光谱、超光谱

(1)多光谱成像——光谱分辨率在 delta_lambda/lambda=0．1mm数量级，这样的传感器在可见光和近红外区域一般只有几个波段。

(2)高光谱成像—— 光谱分辨率在 delta_lambda/lambda=0．01mm数量级，这样的传感器在可见光和近红外区域有几十到数百个波段，光谱分辨率可达nm级。

(3)超光谱成像—— 光谱分辨率在delta_lambda/lambda =0．001mm数量级，这样的传感器在可见光和近红外区域可达数千个波段。

光谱分辨率光谱范围：

(1)多光谱：光谱分辨率在10-1λ数量级范围内称为多光谱(Multi-spectral)。包括：可见光、紫外光、红外光

(2)高光谱：光谱分辨率在10-2λ数量级范围内称为高光谱(Hyper-spectral)。在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和中红外区域，以数十至数百个连续且细分的光谱波段对目标区域同时成像

(3)红外光谱：通常将红外光谱分为三个区域：近红外区(0.75-2.5μm)、中红外区(2.5-25μm)和远红外区(25-1000μm)。一般说来，近红外光谱是由分子的倍频、合频产生的；中红外光谱属于分子的基频振动光谱；远红外光谱则属于分子的转动光谱和某些基团的振动光谱。

由于绝大多数有机物和无机物的基频吸收带都出现在中红外区，因此中红外区是研究和应用最多的区域，积累的资料也最多，仪器技术最为成熟。通常所说的红外光谱即指中红外光谱。

二、光谱分辨率的工作原理

光谱分辨率是通过光谱仪器中的色散元件来实现的。色散元件的作用是将光谱信号按照波长分散成不同的波段，使得每个波段内的光谱信号可以被单独收集和分析。光谱仪器中的色散元件通常是棱镜或光栅，它们可以将光谱信号分解成不同的波长成分，并在探测器上形成不同的信号峰。

三、光谱分辨率的应用领域

光谱分辨率在物质识别、分析和监测方面有着广泛的应用。

物质识别：光谱分辨率高的光谱仪器能够分辨出物质吸收、发射光谱的细微差异，从而实现对不同物质的准确识别。例如，在遥感领域，高光谱相机可以通过分析地物反射光谱图像来识别不同的植被类型、地质环境和水体成分。

成分分析：光谱分辨率高的光谱仪器能够对物质中的不同成分进行定量分析。例如，在生物医学领域，高光谱相机可以通过分析人体组织反射光谱来定量分析其中的化学成分，有助于疾病诊断和治疗。

环境监测：光谱分辨率高的光谱仪器能够对环境污染物进行准确识别和监测。例如，在大气环境监测中，高光谱仪器可以分析大气中的各种气体成分，有助于了解大气污染的程度和种类。

四、高光谱相机的工作原理

高光谱相机是一种新型传感器，它通过多路、连续并具有高光谱分辨率方式获取图像信息。它基本上属于多光谱扫描仪，其构造与 CCD 线阵列推扫式扫描仪和多光谱扫描仪相同，区别仅在于通道数多，各通道的波段宽度很窄。

高光谱相机按其结构的不同，可分为两种类型。一种是面阵探测器加推扫式扫描仪的成像光谱仪，它利用线阵列探测器进行扫描，利用色散元件和面阵探测器完成光谱扫描。利用线阵列探测器及其沿轨道方向的运动完成空间扫描。另一种是用线阵列探测器加光机扫描仪的成像光谱仪，它利用点探测器收集光谱信息，经色散元件后分成不同的波段，分别在线阵列探测器的不同元件上，通过点扫描镜在垂直于轨道方向的面内摆动以及沿轨道方向的运动完成空间扫描，而利用线探测器完成光谱扫描。

五、高光谱遥感数据特点： 光谱分辨率高

光谱分辨率高，能反映地物光谱的细微特征。与地面光谱辐射计相比，成像光谱仪不是在“点”上的光谱测量，而是在连续空间上进行光谱测量，因此它是光谱成像的； 与传统多光谱遥感相比，其光谱通道不是离散而是连续的， 因此从它的每个像元均能提取一 条平滑而完整的光谱曲线。

高光谱遥感器——成像光谱仪，能获得整个可见光，近红外，短波红外，热红外波段的多而窄的连续光谱，波段数多至几十甚至数百个，光谱分辨率可以达到纳米级，一般为10-20nm，个别达2.5nm。

六、高光谱相机的应用领域

高光谱相机在多个领域有着广泛的应用。在遥感领域，高光谱相机可以用于地信、测绘、资环等方面，能够提供更丰富、更准确的地物信息。在生物医学领域，高光谱相机可以用于检测皮肤癌、乳腺癌等疾病，有助于早期发现和治疗疾病。在环境监测领域，高光谱相机可以用于监测水污染、大气污染等，能够提供更精细、更准确的监测数据。

高光谱相机作为一种新技术，具有很高的光谱分辨率，能够提供更丰富、更准确的信息。它将在多个领域得到广泛的应用，推动科技进步和社会发展。