从点光谱仪到成像光谱仪的演变

撸陆经常被问到的一个问题是，为什么我们为高光谱相机选择推扫式架构，以及为什么我们没有任何快照相机。这自然是一个深思熟虑的决定，但在深入了解细节之前，让我们快速了解一下高光谱成像，或更准确地说，成像光谱学的实际含义。

在所有高光谱成像系统中，您都会捕获二维空间场景以及该 2D 场景中每个空间像素的数百个光谱通道。

高光谱系统相对于 RGB 相机的有用之处在于每个像素中的光谱内容；这就是为什么对于任何高光谱系统来说，每个像素的光谱保真度是最关键的性能参数。

高光谱系统中使用了许多不同的电光架构：推扫式、拂扫式、快照式等。

通常，在快照系统中，您可以在一个时间点捕获某个特定波段的整个 2D 空间场景，然后使用可调谐滤波器等扫描波长。还有快照多光谱系统，在特定位置的单像素元素上安装有多个滤光片。

所有快照系统都存在一个大问题：在捕获特定空间像素的不同光谱信息的时间点存在时间间隔，如果场景发生变化或相机移动，您将无法正确重建数据，并且光谱内容将无法正确重建。保真度将会受到影响。而且，通常，正常光谱范围（例如，400-1000nm）的扫描时间较长。

许多人将价格作为使用快照的原因，对于机载和无人机应用也是如此。然而，如果您想要与推扫式系统相同的光谱保真度，那么您的快照解决方案将会更加昂贵。

推扫式系统（例如我们的Specim高光谱系统）的空间和光谱畸变小于 ±0.1pixel。空间和光谱畸变是导致不良数据/缺乏光谱保真度的最大因素。我喜欢将推扫式系统称为真正的快照高光谱相机，因为它可以拍摄狭窄空间场景的所有光谱内容的快照。换句话说，它拍摄了成像光谱仪两个最重要维度的快照。  

推扫式架构

我们来比较一下；假设您要使用飞机上的快照系统，并且您以 120km/h、33m/s 的速度飞行。快照相机使用扫描法布里-珀罗原理，可以以 5Hz 的最大速度扫描 400-800nm。我们为系统指定 20 x 20 度的 FOV 和 1024 x 1024 像素。为了扫描所有波长，它需要 200 毫秒，然后使用 50 个通道对光谱范围进行采样，每个光谱通道需要 4 毫秒。

该相机的 iFOV 为 0.34x0.34mrad，即1000m的高度有34cm的空间分辨率。在 4ms 内，飞机移动了 13.3cm，即 38% 像素，在 200ms 内（从扫描开始到结束），飞机移动了 6.7m，即 20 个像素。这意味着当您到达最后一个波段时，第一个波段上成像的任何物体都移动了 20 个像素。除了沿航迹运动外，飞机还会经历俯仰、滚动和航向漂移。您如何期望在这样的系统中获得良好的光谱保真度？在 Specim的推扫式光谱仪中，我们通过设计使一个像素对所有波段之间以及一个波段对所有像素之间的畸变误差优于±0.1pixel。 

如果达到与退扫系统中相同的畸变水平，快照式需要以比单像素±0.1pixel更高的精度了解每个波段中每个像素的位置。这意味着您需要准确地了解 x、y、z、横滚、俯仰和航向。这意味着横滚、俯仰和航向优于 0.002 度。价值百万人民币的导航系统的典型性能是横滚和俯仰 0.0025 度，航向 0.005 度。非常昂贵。此外，GPS 位置 RMS 通常为 3-5 厘米，同样超过 10%。因此，即使在导航系统上花费百万人民币，您也无法与比这便宜得多的推扫式相机的光谱保真度相媲美。

让我们看一下移动场景的场景，例如汽车。如果你用带退扫系统的高光谱飞过一辆汽车，汽车的形状将会有形变，但该汽车的光谱将始终是纯净的 - 像素大小是飞机的对地速度和汽车的组合。但对于快照相机来说，你不可能获得那辆车的正确光谱；这种效果就像局部非常大的重合失调。汽车在每个波段的形状看起来都接近正确，但在重建图像中，它永远不会有正确的光谱。

您什么时应该选择快照高光谱系统？一个完全静止的应用场景同时高光谱相机也完全静止？但有人可能会说事实并非如此。举个例子：有一款快照相机在 1m 距离处的 ±0.1像素为 34μm。如果您对拍摄 2D 空间图像感兴趣，但不太关心光谱内容，那么快照可能是正确的选择。但对于这种情况，您实际上并不是在寻找成像光谱仪 - 至少不是在单个像素中具有良好的光谱保真度。如果您想要一种架构能够同时拍摄狭窄一维场景的所有光谱通道快照，然后在二维空间场景中提供高光谱保真度以及可靠且可重复的光谱特征，那么 Pushbroom 是您的首选架构。通过导航系统，您可以重建机载图像，但您只需要重建空间信息。这意味着您不需要用快照系统那么昂贵高精度的机载导航系统。

使用推扫式高光谱相机，您可以获得充分的灵活性，并且光谱保真度始终是最高优先级。灵活性是指平台：飞机、无人机、卫星、现场、实验室、工业应用等。

快照系统当然有一些好处，通常是系统的大小和重量，对于某些情况来说，还有价格。

我并不是说永远不会有出色的快照高光谱系统。技术会不断发展，也许在未来，但据我所知，当前我们还没有做到这一点。*

 就说到这里，Specim提供推Pushbroom，因为Specim关心您的光谱数据质量！

本文这是基于撸陆的认知。如果有人认为今天的快照可以与推扫式系统中的光谱保真度竞争，我会非常感兴趣，对于各种讨论和质疑，撸陆始终非常欢迎。

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