高光谱成像：为何选择推扫式架构？

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，而不是快照式架构？这自然是一个经过深思熟虑的决定。在深入探讨之前，让我们先了解高光谱成像，或更精确地说，成像光谱学的实际意义。

在所有高光谱成像系统中，您都会捕获一个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。高光谱系统相较于RGB相机的优势在于每个像素中的光谱内容；因此，对于任何高光谱系统而言，每个像素的光谱保真度都是最关键的性能参数。

高光谱系统中存在多种不同的电光架构：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。

所有快照系统都面临一个主要问题：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，光谱内容也将受到影响，保真度会受损。此外，正常光谱范围（例如400-1000nm）的扫描时间通常较长。

许多人将价格作为选择快照系统的原因，对于机载和无人机应用也是如此。但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可能会更加昂贵。

相比之下，推扫式系统（例如SINESPEC的高光谱系统）的空间和光谱畸变小于±0.1pixel。空间和光谱畸变是导致数据质量不良和缺乏光谱保真度的主要因素。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，它同时捕获了成像光谱仪两个最重要维度的信息。

推扫式架构的优势

我们来比较一下；假设您要使用飞机上的快照系统，飞行速度为120km/h（33m/s）。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20x20度的视场和1024x1024像素的分辨率。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。该相机的瞬时视场（iFOV）为0.34x0.34mrad，即在1000m的高度具有34cm的空间分辨率。在4ms内，飞机移动了13.3cm，相当于38%的像素。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。在这种情况下，如何获得良好的光谱保真度？

在SINESPEC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。要达到与推扫系统中相同的畸变水平，快照式系统需要以比单像素±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，这需要非常昂贵的导航系统。

此外，让我们看一下移动场景的情况，例如汽车。如果您使用带有推扫系统的高光谱相机飞过一辆汽车，汽车的形状可能会有形变，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，您无法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。

那么，您应该在什么情况下选择快照高光谱系统呢？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，那么推扫式是您的首选架构。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。这意味着您不需要像快照系统那样昂贵且高精度的机载导航系统。

使用SINESPEC的推扫式高光谱相机，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。

当然，快照系统也有一些优点，通常是系统的大小和重量较小，对于某些情况来说价格也可能更低。但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，也许在未来会有更好的解决方案出现。但据我所知，在当前阶段，推扫式架构仍然是高光谱成像的首选方案。

SINESPEC提供推扫式高光谱相机，因为我们关心您的光谱数据质量！