Гиперспектральные камеры и качество данных

Гиперспектральная визуализация сочетает в себе визуализацию и спектроскопию. Существует множество различных оптических архитектур, которые используются для создания гиперспектральных систем, но конечная цель одна и та же — создать изображение, в котором каждый пиксель изображения содержит информацию из многих спектральных диапазонов (много разных цветов или длин волн).

Создать хорошие гиперспектральные системы непросто, но, если вы имеете в виду только качество, вашим наивысшим приоритетом должна быть спектральная точность в каждом пикселе, т. е. спектр, захваченный одним пикселем, является фактическим физическим представлением сцены, отображаемой этим конкретным пикселем. . Существует множество ключевых параметров качества, влияющих на спектральную точность гиперспектральной системы. Влияние на спектральную точность различных параметров ключевого качества зависит от многих факторов, но, как правило, наиболее важными параметрами являются:

• Пространственное совмещение

• Спектральная несовпадение

• Блуждающий свет

• F#

• Функция спектрального отклика

• Параметры детектора

• Экологическая стабильность

Чтобы оценить производительность гиперспектральной системы, нам нужно ввести термин функция рассеяния точки (PSF). Это форма кривой интенсивности энергии, попадающей на детектор через оптику от точечного источника.

В идеальном случае в гиперспектральной системе с веерным сканированием пространственная выборка одинакова для всех диапазонов. На самом деле это не так и приводит к пространственному совмещению.

Для одного положения в FOV форма, размер и положение центра тяжести для PSF должны быть одинаковыми во всех диапазонах. Цель разработки состоит в том, чтобы сделать форму и размер PSF как можно более похожими для всех позиций в FOV. В реальных приложениях само пространственное совмещение ¹ и различные источники, вызывающие пространственное совмещение ² имеют большое значение, и можно показать, как различия в его гравитации ³ может поставить под угрозу результаты обработки данных.

Спектральное рассогласование также очень важно для спектральной точности гиперспектральной системы. Как и в случае пространственной неточности, важна форма, размер и положение спектральной ФРТ. Чтобы избежать спектрального наложения, ширина PSF должна быть близкой к двум спектральным полосам, но во многих ситуациях предпочтительнее более четкая оптика, чем эта.

Есть много причин для создания резкой оптики на пиксель и на полосу. Для любого заданного детектора с заданным шагом детектора спектрометр всегда будет выдавать больше информации с четкой оптикой. С другой стороны, выборка ФРТ более чем одним пикселем дает больше информации о ФРТ, но для данного детектора это снижает разрешение системы. Любая оптическая система всегда будет выводить больше информации, чем больше пикселей у вас есть функция рассеяния точки (PSF) ⁴ .

Есть много компромиссов при принятии решения о том, какую систему сделать, или для пользователя, какие системы купить. Одним из них является резкость оптики.

Еще один ключевой параметр качества — рассеянный свет оптической системы. В общем, рассеянный свет — это свет, попадающий на детектор из тех мест, где его быть не должно. Это может быть связано с отражениями внутри оптики, рассеянием от оптических поверхностей, отражениями от механических поверхностей и так далее. Эффект рассеянного света также может быть разным для разных спектральных диапазонов. Сегодня не существует отраслевого стандарта измерения рассеянного света гиперспектральных систем, и разные поставщики делают это по-разному.

Светособирающая способность оптики обычно является очень важным параметром (низкий F#). Чем больше пространственных пикселей и спектральных полос в системе, тем меньше света достигает каждого пикселя/полосы. Это означает, что система гиперспектральной визуализации с высоким разрешением должна быть очень светочувствительной. Значение этого параметра может различаться в зависимости от платформы. Если гиперспектральная система развернута на самолете или в промышленных условиях, скорость обычно является важным параметром, а низкий F# очень важен для получения хорошего отношения сигнал/шум (SNR) для всего спектрального диапазона. И наоборот, лабораторные приложения обычно могут собирать больше света, используя более медленную скорость захвата изображения и более длительное интегрирование, что обеспечивает большую гибкость в отношении апертуры.

Высокое отношение сигнал-шум для всего спектрального диапазона является очень важным параметром гиперспектральной системы, и то, насколько высокое отношение сигнал-шум, зависит от функции спектрального отклика всей системы. Пиковое ОСШ указывает только максимальное ОСШ для диапазона, близкого к насыщению, и, следовательно, не дает полной картины. Также необходимо знать, какова общая квантовая эффективность всей системы в зависимости от длины волны. Чтобы предоставить полезную информацию, кривая SNR должна быть указана для данной входной яркости и заданного (и практически реалистичного / релевантного) времени интегрирования / экспозиции.

Детектор является важной частью 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, в котором оптика предназначена для детектора и, как правило, имеет максимально возможную резкость.

Для диапазона VNIR (400–1000 нм) доступно множество детекторов, и можно выбрать детектор, наиболее подходящий для оптической системы. Как для VNIR, так и для SWIR диапазона большое значение имеют многие параметры детектора. Это полная емкость лунки, минимальный уровень шума, режимы считывания, скорость считывания, шаг пикселя, квантовая эффективность как функция длины волны и многое другое. Рынок детекторов постоянно меняется, и производителям гиперспектральных устройств важно идти в ногу с рынком детекторов, чтобы интегрировать лучшие доступные детекторы.

Используемые процедуры и стандарты калибровки (включая точность) должны быть доступны для пользователей, и поэтому очень важно, чтобы радиометрическая калибровка соответствовала стандартам NIST или PTB (или аналогичным).

Любая гиперспектральная система должна поддерживать стабильную и точную радиометрическую и спектральную калибровку вне контролируемой среды. Совершенно бесполезно иметь идеально откалиброванную систему, покидающую завод, если она не стабильна и недействительна после транспортировки и во время эксплуатации. Это означает, что спектральная, радиометрическая и геометрическая калибровка должны быть стабильными при различных температурах, давлениях и сильных вибрациях, чтобы система давала воспроизводимые и надежные результаты в сложных условиях, таких как операции с БПЛА. ^{5, 6}

Очень сложно отличить различные гиперспектральные системы от спецификаций верхнего уровня поставщиков. При сравнении систем разных производителей (или разных моделей одного производителя) поставщик должен предоставить подробный отчет с указанием вышеупомянутых параметров для конкретной модели камеры. Кроме того, рекомендуется запросить образцы данных из сцены, релевантной для приложения пользователя.

В настоящее время организация IEEE ⁷ занимается созданием общего стандарта для характеристики гиперспектральных камер. . HySpex поддерживает эту группу и активно участвует в ней, стремясь сделать предложения более прозрачными для конечных пользователей систем гиперспектральной визуализации.

Эта статья была написана Трондом Лёке, генеральным директором Norsk Elektro Optikk, AS (Осло, Норвегия). Для получения дополнительной информации обращайтесь Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра или посетите здесь .

Ссылки

1. https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/8706/1/Resampling-in-hyperspectral-cameras-as-an-alternative-to-correcting-keystone/10.1117/12.2015491.short
2. https://www.spiedigitallibrary.org/journals/Optical-Engineering/volume-59/issue-08/084103/Spatial-misregistration-in-hyperspectral-cameras-lab-characterization-and-impact/10.1117/1 .OE.59.8.084103.full?SSO=1
3. https://www.hyspex.com/keystone/
4. https://www.hyspex.com/sharp_optics_many_pixels/
5. https://www.hyspex.com/scientific_grade_uav/
6. https://www.hyspex.com/quality_vs620/
7. https://standards.ieee.org/project/4001.html