聊一聊光谱技术的发展现状以及光谱、多光谱和高光谱之间的区别？

光谱技术发展至今，已经形成了空间维度上的光谱分析，例如，多光谱成像和高光谱成像技术，今天我们就来聊一聊，光谱技术的发展现状，以及光谱、多光谱和高光谱之间的区别？

 

光谱

光波是由原子内部中运动的电子产生的。由于每种物质的原子内部电子的运动情况都不同，所以它们发射的光波也不同。研究不同物质的发光以及吸收光的情况，有很重要的理论和实际意义，现在已成为一门专业的学科——光谱学。

发射光谱物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。发射光谱有两种类型，连续光谱和明线光谱。

连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光谱叫做连续光谱。炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱。例如电灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。

只含有一些不连续的亮线的光谱叫做明线光谱。明线光谱中的亮线叫做谱线，各条谱线对应于不同波长的光。稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光谱。明线光谱是由游离状态的原子发射的，所以也叫原子光谱。观察气体的原子光谱，可以使用光谱管，它是一支中间比较细的封闭的玻璃管，里面装有低压气体，管的两端有两个电极。把两个电极接到高压电源上，管里稀薄气体发生辉光放电，产生一定颜色的光。

观察固态或液态物质的原子光谱，可以把它们放到煤气灯的火焰或电弧中去烧，使它们气化后发光，就可以从分光镜中看到它们的明线光谱。

实验证明，原子不同，发射的明线光谱也不同，每种元素的原子都有一定的明线光谱。每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，因此，明线光谱的谱线叫做原子的特征谱线。利用原子的特征谱线可以鉴别物质和研究原子的结构。

吸收光谱高温物体发出的白光(其中包含连续分布的一切波长的光)通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。例如，让弧光灯发出的白光通过温度较低的钠气(在酒精灯的灯心上放一些食盐，食盐受热分解就会产生钠气)，然后用分光镜来观察，就会看到在连续光谱的背景中有两条挨得很近的暗线，这就是钠原子的吸收光谱。值得注意的是，各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应.这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光。因此，吸收光谱中的谱线(暗线)，也是原子的特征谱线，只是通常在吸收光谱中看到的特征谱线比明线光谱中的少。

光谱分析由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成，这种方法叫做光谱分析。做光谱分析时，可以利用发射光谱，也可以利用吸收光谱。这种方法的优点是非常灵敏而且迅速。某种元素在物质中的含量达10^-10^克，就可以从光谱中发现它的特征谱线，因而能够把它检查出来。

光谱分析作为自然科学分析的重要手段，光谱技术常常用来检测物体的物理结构、化学成分等指标。传统光谱分析，都是通过待测物自发光或者与光源的相互作用而进行分析的物体的，从空间维度上看，传统光谱分析大多是针对一个单点位置。而图像光谱测量则是结合了光谱技术和成像技术，将光谱分辨能力和图形分辨能力相结合，造就了空间维度上的面光谱分析，也就是现在的多光谱成像和高光谱成像技术。

 

多光谱技术

**多光谱技术（Multispectral）**是指能同时获取多个光学频谱波段（通常大于等于3个），并在可见光的基础上向红外光和紫外光两个方向扩展的光谱探测技术。常见实现方法是通过各种滤光片或分光器与多种感光胶片的组合，使其在同一时刻分别接收同一目标在不同窄光谱波段范围内辐射或反射的光信号，得到目标在几张不同光谱带的照片。

身边最常见的多光谱照片是彩色相机拍摄的照片，如下图，从频谱上看，其包含了红色（1），绿色（2）和蓝色（3）三个光学频谱波段的信息。如果在相机或者探测器上，增加更多的频带如频带（4）和（5），就可以获得一个含多个频带的多光谱照片了。

多光谱技术结合成像硬件，即可图像形式呈现多光谱信息。

当然也可以仅使用探测器进行单个空间点位的光谱信息获取。海洋光学旗下品牌Pixelteq以独特的芯片滤光技术，可以实现在9*9 cm的芯片上获取8个通道的光谱信息，特别适用于空间和成本要求极高的应用场合。

 

高光谱成像

**高光谱成像（Hypespectral）**是一种可以捕获和分析一片空间区域内逐点上光谱的精细技术，由于可以检测到单个对象不同空间位置上的独特光谱“特征”因此可以检测到在视觉上无法区分的物质。

高光谱示例：图像由更窄的波段（10~20 nm）组成。高光谱图像可能有数百或数千个波段。

物体与光源的光相互作用并被非成像光谱分析设备（比如光谱仪）接收后，设备可以精确地反应出接收到的光信号在光谱频带上分布的强度差异也就是光谱信息。

而使用高光谱设备时，从成像特性角度看，可以了解到样品各个位置的光谱信息，从光谱特性角度看，可以了解在特定光谱带内的信号位置分布，也就是说，高光谱设备可以获取更加丰富的细节信息。

例如：人眼只能接收三个光谱频段中物体的光能量信号：红色，绿色和蓝色。也就是我们常称的发光三原色，但是事实上我们能够看到由这三种颜色的组合产生的橙色，紫色，青绿色等等的更细微的色彩。但是，我们并不不能区分纯黄色和红绿二色的混合色的差异，这也称之为“同色异谱”。但是高光谱成像却可以轻松分辨其中的区别。

上图显示了两种黄色，一种是“纯色”，另一种是红色和绿色的混合物。在视觉上可能无法区分，但由于它们的光谱差异，使用光谱设备却可以将其区分。

研究人员在进行试验的时候，使用光谱仪得到的数据代表在整个被探测范围内同入射光源相互作用的所有分子发出的光的平均值；而使用多光谱设备可以获取被探测范围内各点在几个特定频带上样品信息。因此，这两种设备均无法提供单个区域内非常精细的样品信息。

高光谱成像仪（HSI）可以类比为数百或数千个单点光谱仪紧密的排在一起并同时关注一片区域，每个光谱仪都独立工作，并获取自己所在位置的光谱信息。从HSI输出的数据是图片，或者视频流，这些图片或者视频中的每个像素都有自己的光谱，并且每一张光谱都包含数百个光谱频带。

高光谱成像技术的这种“全光谱”功能让人们可以看到一个场景中每一个可分辨的空间位置上的光谱信号，即得到了更多维度的信息。因此高光谱成像的应用场景很丰富，其中包括艺术品鉴别，农作物健康，海岸线测绘，森林，矿物勘探，城市和工业基础设施，生产线产品质量，环境监控等等。

高光谱的扫描方法和成像效果如下图所示：

上图为频谱线扫描采集的示意图，其中λ代表波长，x和y 代表像素空间位置，t =随时间的采集；下图为在传感器（焦平面阵列（FPA））所在的焦平面上的狭缝图像和风光后的光谱信息

 

高光谱和多光谱的区别

很多时候材料的反射率特征光谱相对于波长的变化可能非常复杂，而其他微小特征使用较粗糙的多光谱成像方法也有可能无法分辨。

上图中使用多光谱成像（左）识别无法分辨的物质，通过使用高光谱成像（右）被分辨出来。其原因是由于高光谱具有更多的光谱频带，因此可以通过更高的光谱分辨率准确地获得更复杂的指纹特征。

高光谱成像主要用于测量光与物质相互作用后的反射光，因此也是一种表面测量技术。








审核编辑：刘清