成像光谱技术是指既能获取目标图像又能获取目标空间各点的连续光谱信息, 并根据目标的特征光谱, 确定出目标物证成分的一种技术^[1]。 成像光谱技术根据光谱分辨率又可分为多光谱成像技术、 高光谱成像技术和超光谱成像技术, 其光谱分辨率分别为波长的1/10, 1/100和1/1 000数量级范围^[2]。 成像光谱技术最早应用于物证鉴定领域是在20世纪90年代中期, 由James A Janni等提出, 但由于技术方法和仪器设备性能的限制, 这项技术当时并没有引起物证鉴定工作者的广泛关注^[3]。 2003年, 澳大利亚的Claude Roux等采用光谱成像技术进行了显现指印纹线的初步实验研究, 光谱成像装置采用液晶可调波长滤光镜(LCTF), 这一实验成为物证鉴定领域广泛研究光谱成像检验技术的开端^[4]。 至今, 多光谱成像技术在物证鉴定领域的应用较为成熟^[5], 但多光谱成像技术的光谱分辨率有时难以满足物证检验需求, 虽然超光谱成像技术的光谱分辨率高于高光谱成像技术的分辨率, 但高光谱成像技术的光谱分辨率可以满足目前的物证检验需求, 因此高光谱成像技术逐步成为物证鉴定机构重点发展的研究方向^{[6, 7, 8]}。

目前, 可见高光谱成像仪或近红外高光谱成像仪的研发技术相对成熟, 国内几家机构能够研发并生产这2个光谱范围的高光谱成像仪^{[9, 10]}, 但当需要综合可见-近红外波段的特征光谱进行物证分析时将无法得到精确的结果。 因此, 覆盖可见-近红外波段的宽波段高光谱成像仪的研制对于物证检验的应用具有更高的价值。

宽波段高光谱成像仪的研制有不少难点, 光栅的衍射效率、 光学透镜及其材料等都是技术瓶颈。 本文以自主研发的可见高光谱成像仪和近红外高光谱成像仪组合的方式, 通过调整2台高光谱成像仪的姿态, 使2台高光谱成像仪共视场从而达到拓宽成像光谱仪光谱范围的效果。 实验结果表明该方法实现了宽波段高光谱成像设备的技术性能, 并成功应用于物证检验领域。

常见的推扫式高光谱成像仪的工作原理如图1所示。 入射光由成像透镜进入入射狭缝, 再经由准直透镜和分光模块, 最后由聚焦透镜汇聚于探测器。 由于入射狭缝的限制, 高光谱成像仪的瞬时视场为图1中所示的A, B和C三点所在直线的线视场。

图1

Fig.1

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	图1 高光谱成像仪原理示意图Fig.1 Schematic diagram of hyperspectral imaging spectrometer

瞬时线视场的图像由高光谱成像仪的分光模块色散后, 成像于探测器靶面, 其中一维是线视场图像所在的空间维, 另一维是线视场图像色散后的光谱维, 如图2所示。

图2

Fig.2

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	图2 高光谱成像仪探测器获取的单帧数据示意图Fig.2 Singlel-frame data acquired by detector of hyperspectral imaging spectrometer

探测器接收的瞬时线视场数据即单帧图像数据, 空间维用于显示该线视场图像, 光谱维用于显示该空间维每个点的光谱数据, 光谱维中每一个工作波段称为一个光谱通道, 如图2中的彩色条带所示。 若高光谱成像仪的光谱分辨率为k(k为λ ₁或λ ₂的1/100数量级), 光谱范围为λ ₁~λ ₂, 则光谱通道1的波长范围为λ ₁~(λ ₁+k), 光谱通道2的波长为(λ ₁+k)~(λ ₁+2k), …, 光谱通道n的波长为(λ ₁+nk)~λ ₂。

高光谱成像仪通过推扫的方式获取整幅图像的高光谱数据, 可以利用机身或待测物的移动实现推扫成像, 扫描方向为垂直于线视场方向, 所获取的高光谱数据是三维数据, 称之为数据立方, 如图3所示。 高光谱成像仪相对于被测物体沿空间维x方向推扫, 每次获取一维空间维y图像, 经推扫后获取空间维x和空间维y的二维图像。

图3

Fig.3

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	图3 高光谱数据立方示意图Fig.3 Hyperspectral data cube

数据立方具有“ 图谱合一” 的特点, 对应于目标的每一个空间点(x, y), 均有一个连续的、 高光谱分辨率的光谱曲线与之对应。 因此, 通过高光谱成像仪既能获取物体的空间信息, 同时能够获取物体的光谱信息。

高光谱成像仪空间性能的参数主要包括总视场(FOV)和瞬时视场(IFOV), 如图4。

图4

Fig.4

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	图4 高光谱成像仪空间性能参数Fig.4 Spatial parameters of hyperspectral imaging spectrometer

图4中GhG是成像镜头距物体的距离, 总视场FOV决定了高光谱成像仪的扫描幅宽GS, 瞬时视场IFOV决定了高光谱成像仪的空间分辨率GR, 高光谱成像仪每次成像的线视场对应的物体大小为GS× GR。

高光谱成像仪由光学透镜、 分光模块、 探测器等组成, 若研制宽波段高光谱成像仪, 分光模块中的光栅需要满足宽波段范围内较高的衍射效率, 光学透镜需要在宽波段内具有较高的成像质量, 大面阵的探测器同样是需要攻克的难题。 因此, 采用可见高光谱成像仪和近红外高光谱成像仪结合的方式实现宽波段高光谱成像效果。

将自主研发的400~1 000 nm可见高光谱成像仪和900~1 700 nm近红外高光谱成像仪进行组合, 2台高光谱成像仪的实物图和研制参数分别如图5和表1所示。

图5

Fig.5

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	图5 高光谱成像仪实物图 (a): 400~1 000 nm; (b): 900~1 700 nmFig.5 Hyperspectral imaging spectrometer (a): 400~1 000 nm; (b): 900~1 700 nm

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 高光谱成像仪参数表 Table 1 Hyperspectral imager parameter table 名称 参数 数值 可见高光 谱成像仪 波段范围 400~1 000 nm 光谱分辨率 优于3 nm 工作距离 大于300 mm 瞬时视场(IFOV) 0.27 mm@300 mm工作距离 总视场(FOV) 116 mm@35 mm镜头 近红外 高光谱 成像仪 波段范围 900~1 700 nm 光谱分辨率 优于4 nm 工作距离 113 mm 瞬时视场(IFOV) 0.15 mm 总视场(FOV) 48 mm

表1 高光谱成像仪参数表 Table 1 Hyperspectral imager parameter table

2台高光谱成像仪需要拍摄同一物体的同一视场, 因近红外高光谱成像仪的工作距离只有113 mm, 可见高光谱成像仪的工作距离大于300 mm, 为了保证光路无遮挡, 组合后的空间小, 装调方便, 便可见高光谱成像仪由平面反射镜折转的方式对准待测物体, 近红外高光谱成像仪则斜视对准待测物体, 2台高光谱成像仪的组合光路图如图6所示。 高光谱成像仪固定, 待测物体置于电动平移台上实现推扫从而获取三维数据立方体。

图6

Fig.6

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	图6 2台高光谱成像仪组合光路图Fig.6 Optical Path of the two hyperspectral imaging spectrometer

2台高光谱成像仪具有各自的线视场, 按图6所示的光路装调后, 还需要微调2台成像光谱仪的姿态, 直至线视场匹配。 视场匹配调节包括视场平行和视场重合两个步骤, 视场平行调节至关重要, 若2台高光谱成像仪的线视场未调至平行, 获取的空间维数据具有一定角度偏差, 不能实现两组空间维和光谱维数据对准, 则无法获取两组高光谱数据。 我们采用定标板辅助调节高光谱成像仪视场平行, 调节的过程如图7所示。

图7

Fig.7

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	图7 定标板辅助调节视场平行示意图Fig.7 Parallel adjustment by calibration board

未经调节姿态的高光谱成像仪所获取的成像数据如图7(a)所示, 定标板的图像呈倾斜拉伸状态, 首先调节2台高光谱成像仪姿态, 直至获取的两组图像数据如图7(b)所示, 定标板的图像只呈现拉伸状态, 其次调节2台高光谱成像仪的帧频和电动平移台的移动速度, 直至两组成像数据如图7(c)所示。 其中, 图像的倾斜和拉伸由拍摄的正方形定标板在探测器上所占像元数量来准确判断。 最后通过调整平面反射镜的角度调节视场重合。

搭建实验平台, 如图8所示。 实验器材包括400~1 000 nm高光谱成像仪、 900~1 700 nm高光谱成像仪、 卤钨灯光源及风扇、 高精度直线平移台。 物体置于高精度平移台上, 通过控制平移台移动, 扫描被检测物体。

图8

Fig.8

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	图8 实验平台Fig.8 Experimental platform

由Labview平台编写测量软件, 界面如图9所示。 分别包括400~1 000和900~1 700 nm高光谱成像仪图像显示窗口、 400~1 000和900~1 700 nm高光谱成像仪光谱曲线显示窗口。 图像显示窗口可以显示任意单波段的图像, 光谱曲线显示窗口可以显示任意空间点光谱曲线。

图9

Fig.9

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	图9 测量软件界面Fig.9 The software of measurement

选择4种不同种笔迹作为待测物体, 由于2台高光谱成像仪的视场大小不同, 近红外高光谱成像仪的视场要小于可见高光谱成像仪的视场, 因此以近红外高光谱成像仪的视场为基准, 裁剪可见高光谱成像仪的视场。 测试结果用高光谱数据处理软件ENVI打开, 裁剪后的图像信息如图10所示。

图10

Fig.10

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	图10 高光谱成像仪图像测试结果Fig.10 Image testing results of Hyperspectral imaging spectrometer

根据图10中的4种笔迹, 对应的光谱曲线如图11所示。 光谱曲线的波长范围是400~1 700 nm, 是经过2台高光谱成像仪获取的光谱数据拼接后的结果。

图11中所示的光谱曲线, 表明本方法可以实现宽波段高光谱数据的获取。

图11

Fig.11

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	图11 四种笔迹的拼接光谱曲线Fig.11 The spectral curves of four handwriting

结合可见高光谱成像仪和近红外高光谱成像仪, 实现可见-近红外宽波段高光谱成像仪的研制。 通过调整400~1 000和900~1 700 nm高光谱成像仪的姿态、 拍摄帧频和电动平移台的移动速度, 计算推扫图像中拍摄的正方形定标板在探测器上所占像元数量, 判断两台高光谱成像仪的线视场是否平行, 线视场平行后再调整平面反射镜的角度, 直至线视场相互重合。 实验结果得到4种笔迹的空间二维图像和任意空间点400~1 700 nm的光谱曲线, 证明该方法能够实现宽波段高光谱数据的获取, 使高光谱成像仪在物证鉴定领域的应用范围更广。