Обеспечение спектральной верности: оптимизация качества гиперспектральных камер

Гиперспектральная визуализация объединяет и визуализацию, и спектроскопию. Существует множество разных оптических архитектур для создания гиперспектральных систем, но конечная цель одна — создать изображение, где каждый пиксель содержит информацию из многих спектральных полос (многих разных цветов или длин волн).

Создание хороших гиперспектральных систем непросто, но если приоритет только качество, вашим высшим приоритетом должна быть спектральная верность в каждом пикселе — то есть спектр, захваченный одним пикселем, является фактическим физическим представлением сцены, снятой этим конкретным пикселем. Существует множество ключевых параметров качества, влияющих на спектральную верность гиперспектральной системы. Влияние на спектральную верность от разных ключевых параметров качества зависит от многих факторов, но в общем самыми важными параметрами являются:

• Пространственная нерегистрация
• Спектральная нерегистрация
• Блуждающий свет
• F# (число апертуры)
• Спектральная функция отклика
• Параметры детектора
• Экологическая стабильность

Для оценки производительности гиперспектральной системы нужно ввести термин функция рассеянности точки (PSF). Это форма кривой интенсивности энергии, попадающей на детектор через оптику от точечного источника.

Идеально, в пушбрум-гиперспектральной системе пространственная дискретизация одинакова для всех полос. В реальности это никогда не бывает и приводит к пространственной нерегистрации.

Для одной позиции в поле зрения форма, размер и положение центра тяжести PSF должны быть одинаковыми для всех полос. Цель проектирования — сделать форму и размер PSF максимально похожими для всех позиций в поле зрения. В реальных приложениях сама пространственная нерегистрация¹ и разные источники, вызывающие пространственную нерегистрацию², имеют большое значение, и можно показать, как различия в центре тяжести³ могут компрометировать результаты обработки данных.

Спектральная нерегистрация также очень важна для спектральной верности гиперспектральной системы. Как и с пространственной нерегистрацией, форма, размер и положение спектрального PSF важны. Чтобы избежать спектрального алиасинга, ширину PSF следует держать близкой к двум спектральным полосам, но во многих ситуациях предпочтительнее более резкая оптика.

Есть много причин для создания резкой оптики на пиксель и на полосу. Для любого заданного детектора с заданным шагом детектора, образцовый спектрометр всегда выдаст больше информации с резкой оптикой. С другой стороны, дискретизация PSF более чем одним пикселем дает больше информации о PSF, но для заданного детектора снизит разрешение системы. Любая заданная оптическая система всегда выдаст больше информации, чем больше пикселей у вас на функцию рассеянности точки (PSF)⁴.

Существует много компромиссов при выборе системы — или для пользователя, какие системы покупать. Резкость оптики — одна из них.

Другой ключевой параметр качества — блуждающий свет оптической системы. В общем, блуждающий свет — это свет, достигающий детектора из мест, откуда он не должен. Это может быть из-за отражений внутри оптики, рассеяния на оптических поверхностях, отражений на механических поверхностях и так далее. Эффект блуждающего света также может отличаться для разных спектральных диапазонов. Сегодня нет отраслевого стандарта о том, как измерять блуждающий свет гиперспектральных систем, и разные поставщики делают это по-разному.

Светосборная способность оптики обычно очень важный параметр (низкий F#). Чем больше пространственных пикселей и спектральных полос в системе, тем меньше света попадает на каждый пиксель/полосу. Это означает, что высокорезолюционная гиперспектральная система должна быть очень светочувствительной. Важность этого параметра может варьироваться в зависимости от платформы. Если гиперспектральная система развернута на самолете или в промышленной среде, скорость обычно важный параметр, и низкий F# тогда очень важен для получения хорошего отношения сигнал/шум (SNR) для всего спектрального диапазона. И наоборот, лабораторные приложения обычно могут собирать больше света за счет более медленных скоростей съемки и более длинной интеграции, что дает больше гибкости по апертуре.

Высокий SNR для всего спектрального диапазона — очень важный параметр гиперспектральной системы, и то, насколько высокий SNR, зависит от спектральной функции отклика всей системы. Пиковый SNR определяет только максимальный SNR из полосы, близкой к насыщению, и поэтому не дает полной картины. Нужно также знать, каков общий квантовый выход всей системы как функция длины волны. Для предоставления полезной информации кривая SNR должна быть специфицирована для заданной входной светимости и заданного (и операционно реалистичного/релевантного) времени интеграции/экспозиции.

Детектор — важная часть гиперспектральных систем и во многих случаях определяет цель проектирования оптических систем. Спектральный диапазон SWIR (900-2500 нм) имеет очень ограниченное количество доступных детекторов, и цена резко возрастает с увеличением количества пикселей детектора. Это сценарий, где оптика проектируется под детектор и обычно проектируется максимально резкой.

Для диапазона VNIR (400-1000 нм) доступно много детекторов, и можно выбрать детектор, который имеет больше смысла для оптической системы. Для обоих диапазонов VNIR и SWIR есть много параметров детектора, имеющих большое значение. Это полная емкость колодца, шумовой полор, режимы считывания, скорость считывания, шаг пикселя, квантовый выход как функция длины волны и многие другие. Рынок детекторов постоянно меняется, и важно для производителей гиперспектральных систем следить за рынком детекторов, чтобы интегрировать лучшие доступные детекторы.

Процедуры и стандарты калибровки (включая точность) должны быть доступны пользователям, и наличие радиометрической калибровки, прослеживаемой к стандартам NIST или PTB (или похожим), поэтому очень важно.

Любая гиперспектральная система должна поддерживать стабильную и точную радиометрическую и спектральную калибровку вне контролируемой среды. Бессмысленно иметь идеально откалиброванную систему, покидающую завод, если она нестабильна и недействительна после транспортировки и во время операций. Это означает, что спектральная, радиометрическая и геометрическая калибровка должны быть стабильны в разных температурах, давлениях и под тяжелыми вибрациями, чтобы гарантировать, что система будет давать воспроизводимые и надежные результаты в требовательных условиях, таких как операции БПЛА.^5,6

Очень трудно отличить разные гиперспектральные системы от верхнеуровневых даташитов поставщиков. При сравнении систем от разных производителей (или разных моделей от того же производителя) должен предоставляться детальный отчет, специфицирующий вышеуказанные параметры для конкретной модели камеры. Кроме того, рекомендуется запрашивать образцы данных от сцены, релевантной для приложения пользователя.

В настоящее время ведется работа по созданию общего стандарта для характеристики гиперспектральных камер, организованная IEEE⁷. HySpex поддерживает и активно участвует в этой группе, стремясь сделать предложения более прозрачными для конечных пользователей систем гиперспектральной визуализации.

Статью написал Тронд Лёке, CEO, Norsk Elektro Optikk, AS (Осло, Норвегия). Для дополнительной информации свяжитесь по This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. или посетите здесь.

Ссылки

1. Resampling in hyperspectral cameras
2. Spatial misregistration in hyperspectral cameras
3. Keystone
4. Sharp optics many pixels
5. Scientific grade UAV
6. Quality vs620
7. IEEE 4001