高光谱成像传感器技术凭借其超越可见范围的探测能力，在农业、工业、医疗和安全等领域日益受到重视。虽然其名称听起来很复杂，但其工作原理是基于光学原理，可以通过光谱特性识别材料和物质。
在本文中，我们将深入探讨高光谱图像传感器的本质，它与其他类型的传感器（例如多光谱传感器）的区别，以及它们的技术特性和主要应用。我们还将探讨这项技术的优势及其当前面临的挑战。
什么是高光谱图像传感器？
Un 高光谱传感器 它是一种能够连续捕获数百个光谱带中包含详细信息的图像的设备，这些光谱带的电磁波谱范围通常从 紫外线（350纳米） 直到 近红外和中红外（高达 2500 nm）.
这项技术的独特之处在于 生成的图像中的每个像素都包含完整的光谱这项技术可以通过材料独特的“光谱特征”来识别它们。这些光谱特征反映了被观察物体的物理和化学特性，使高光谱传感器成为一种精确且无损的工具，可用于详细识别和监测材料、织物或物体。
高光谱成像如何工作？
La 高光谱成像 它涉及捕获和处理物体反射或发射的电磁频谱信息。传感器将频谱划分为多个非常窄的连续波段，从而生成三维图像，也称为 高光谱立方体，具有两个空间维度和一个光谱维度。
这个“立方体”可以分析图像中每个像素在不同波长下的光强度，从而为每个观察点提供独特的光谱轮廓，从而对肉眼看似相同的材料提供强大的辨别能力。
一个明确的应用可能是 检测水果的腐烂部分 无需切割，因为健康组织和受损组织的光谱特性是不同的，即使视觉上无法识别。
它与多光谱传感器有何不同？
多光谱传感器也能捕捉光谱信息，但通常只在有限数量的波段内进行。 5到10，这些波段不一定是连续的。这些波段通常包括可见波段（红色、绿色和蓝色）和一些近红外波段。
另一方面，高光谱传感器记录 数百条非常狭窄且连续的带状，它提供了一个 更高的光谱分辨率正因为如此，高光谱传感器可以更准确地识别 化学成分 或者识别具有非常相似特性的材料，这是多光谱传感器无法实现的。
高光谱技术的优势和技术特点
高光谱系统具有许多技术优势，使其在高级应用中独树一帜：
- 非接触式测量： 由于这些是相机，因此无需接触物体即可捕获信息。
- 非破坏性方法： 分析时物体不会被改变或损坏。
- 高特异性： 甚至可以区分 非常相似的材料之间的差异很小，这得益于其高光谱分辨率。
- 实时测量的可能性： 有一些解决方案可以让您即时捕获和分析图像，即使在工业环境中也是如此。
- 照明条件的多样性： 它们可以配置为与不同类型的照明一起工作，例如红外线或受控光。
至于 使用的技术有几种替代方案。一些相机使用直接应用于传感器的法布里-珀罗型干涉滤光片，这使得系统小型化、降低成本并更易于携带。其他相机则使用扫描技术，例如 “推帚”，其包括在每个时刻捕捉物体的一条线，移动传感器来构建完整的图像。
光谱和空间分辨率
高光谱传感器最强大的功能之一是其高 光谱分辨率这使得区分波长之间的距离非常小，甚至 10至20纳米这意味着识别光谱特征的能力更强。
然而，这种优势往往伴随着 较低的空间分辨率因为随着光谱波段数量的增加，传感器需要捕获的数据量也会增加。相比之下，多光谱传感器通常波段较少，但能够以更高的空间分辨率捕获数据。
规模、数据处理和复杂性
高光谱图像产生的信息量非常巨大。这是三维数据，需要 复杂的计算处理 以及专门的软件。这种分析通常包括以下技术 化学计量学 或机器学习算法来识别光谱特征中的模式。
因此，这项技术目前面临的挑战之一是 高效存储和快速分析数据幸运的是，越来越多的解决方案正在出现，使得这些工具更易于使用，即使在工业或现场环境中也是如此。
何时使用高光谱传感器，何时使用多光谱传感器？
这些技术之间的选择取决于最终目标。 多光谱传感器 通常是 更便宜、实施更快、更简单这使得它们非常适合不需要极端光谱细节的任务。
然而，如果分析需要 高精度和材料间的精细区分，例如在生物医学、质量控制或矿物鉴定领域，高光谱传感器显然更为合适。
在许多情况下，两种技术甚至可以结合起来，发挥各自的优势。
高光谱成像最显著的应用
高光谱传感器的应用范围越来越广，包括：
- 农业和农作物： 植物健康评估、疾病或水分胁迫检测、营养分析和物种映射。
- 食品工业： 非侵入性质量控制、异物检测、营养分析和自动分类。
- 医学和生物科学： 组织分析、非侵入性诊断、伤口或细胞异常检测。
- 采矿和地质： 准确的矿物识别、矿床测绘和土壤分析。
- 环境控制： 检测水和空气中的污染物、监测湿地或火灾。
- 安全和防御： 检测隐藏物体、化学物质或高级监视。
- 考古学和艺术： 颜料分析、作品保护和伪造品检测。
- 医药行业： 过程控制和产品认证。
市场上的特色技术
各种技术和品牌都针对不同的应用开发了特定的解决方案。例如：
- 尼瑞欧斯·赫拉： 它采用傅里叶变换 (FT) 光谱法，即使在振动的工业环境中也能提供高光谱精度和出色的稳定性。
- HAIP-黑色： 它依赖于“推扫”技术，适用于静态环境和便携式系统，例如手持摄像机或嵌入无人机的系统。
- 西利奥斯： 专门研究快照型多光谱相机，借助 CMOS 或 InGaAs 传感器上的像素化滤镜，可以同时捕获多个波段。
由于这些进步，这项技术变得越来越灵活、适应性更强，并能被多个领域所使用。
高光谱传感器在各个领域的应用代表着创新的机会，可以实现更精确、更深入的数据收集，从而促进各个领域做出更明智、更优化的决策。
