如何选择高光谱相机？

传统上，高光谱成像主要依赖于扫描式成像技术。 这类技术通常通过让目标场景在狭缝下方移动进行逐行扫描（Pushbroom，推扫式），或利用一系列不同波长的滤光片按时间顺序依次采集各个波段的数据。扫描式成像模式通常能够实现更高的空间和光谱分辨率，但其代价是要求被测场景保持静止，因而不适用于动态目标。

快照式光谱成像（Snapshot Spectral Imaging）则使高光谱相机能够像普通视频摄像机一样工作，无需专门的扫描机构即可一次性获取完整的光谱数据立方体（Data Cube），从而实现对动态场景的实时高光谱视频采集。

然而，所有光谱成像技术都存在一定的性能权衡（Trade-off）。不同技术在空间分辨率、光谱分辨率、时间分辨率（帧率）、光通量以及系统复杂度等方面各有优势与局限。对于某些具体应用而言，诸如帧率要求、照明条件或目标运动速度等因素，可能会使某些成像技术无法满足需求。

因此，每一种应用都应结合其具体需求，对不同的光谱成像技术进行综合评估和选择。不过，根据各种技术的一般特点和基本原理，可以对其适用场景形成一个总体性的参考。下表给出了不同高光谱成像技术的典型性能对比与应用建议。

三种成像原理：

(a) 编码孔径快照式高光谱成像系统

(b) 推扫式线扫描高光谱成像系统

(c) 马赛克像素滤光阵列快照式高光谱成像系统

除了不同高光谱成像技术在原理上的差异外，其在实际应用中的表现同样至关重要。对于许多应用而言，相机能否在整个视场范围内，无论目标位于何处，都保持一致的光谱响应并准确还原目标形状，是实现可靠检测与分析的关键。基于滤波器阵列的快照式光谱成像系统虽然具有轻量化、结构简单等优点，但由于滤光器的光谱特性会随入射角变化而发生偏移，因此目标在视场中的位置不同，会导致采集到的光谱信息出现差异，从而影响光谱测量的一致性和定量分析精度。为验证这一影响，研究人员在实验室条件下分别采用光谱均匀标准靶材和多色目标进行了测试，对不同高光谱成像技术在全视场范围内的光谱一致性和成像性能进行了对比分析。

马赛克滤波高光谱相机与Living Optics编码孔径快照式高光谱相机的应用比较

正如空间分辨率不仅取决于相机像素尺寸，还会受到镜头调制传递函数（MTF）以及场景景深（Depth of Field）等因素的影响一样，光谱分辨率也并非仅由光谱采样的波段数量和带宽决定。空间采样决定了系统在不采用多帧超分辨率重建技术情况下所能达到的空间分辨率上限；同样，光谱采样（即各光谱波段的带宽）决定了系统能够实现的光谱分辨率上限。通常，光谱分辨率采用半峰全宽（Full Width at Half Maximum,FWHM）进行表征，即对系统在某一采样波长处的光谱响应进行高斯拟合后，其响应曲线在半峰值处对应的带宽。由于相机系统的光谱响应会随波长变化，因此FWHM 通常会在多个代表性波长处分别进行测量和标定，以全面反映整个工作波段内的光谱分辨率。

从实际应用角度来看，这意味着一个单一波长的光源（例如气体激光器的发射谱线）并不会仅对应一个光谱通道，而是可能由于系统有限的光谱分辨率而扩展到多个相邻光谱波段。这一现象类似于传统相机中，一个高亮点光源由于光学系统点扩散函数（PSF）的影响，往往会覆盖多个相邻像素，而不是仅落在单个像素上。

线扫描高光谱相机与Living Optics编码孔径快照式高光谱相机光谱数据比较

与所有成像系统一样，高光谱相机的视场（Field of View，FOV）和空间分辨率（Spatial Resolution）共同由物镜焦距（Objective Lens Focal Length）和成像阵列（Image Sensor/Focal Plane Array， FPA）的尺寸决定。对于线扫描（Push-broom）高光谱系统，单条扫描线的视场宽度由焦平面阵列在横向（Across-track）方向的尺寸决定，而沿扫描方向（Along-track）的视场则由扫描速度与曝光时间的乘积决定。当扫描速度较低且曝光时间较短时，沿扫描方向的像素尺寸主要由狭缝（Slit）的宽度决定。最终，通过连续拼接多条扫描线所形成的完整图像，其沿扫描方向的视场范围则取决于整个扫描过程的持续时间。对于马赛克滤波高光谱成像系统（Mosaic Imaging Systems），由于多个像素共同组成一个完整的光谱采样单元，因此评价其空间分辨率时，更适合关注超像素（Super Pixel）的数量和尺寸，而不仅仅是焦平面阵列的原始像素数量。对于编码孔径（Coded Aperture）高光谱系统，其视场主要由焦平面编码掩膜（Coded Mask）的有效面积决定。

高光谱镜头的特殊要求 高光谱相机对物镜提出了比普通相机更高的要求。理想情况下，镜头必须能够将整个工作波段内各个波长的光同时聚焦到焦平面的同一位置，这使得能够满足要求的镜头种类相对有  限。这一特性对于许多应用至关重要。例如，对于某些普通镜头，可能只有红光至近红外（Red–NIR）波段能够准确聚焦，而蓝光至绿光（Blue–Green）波段则会出现明显虚焦，从而降低图像质量并影响光谱分析结果。

景深、光圈与信噪比的权衡在许多高光谱应用中，不仅需要整个视场范围内保持一致的成像清晰度，还要求整个光谱范围内都具有稳定的聚焦性能。通常，采用较小光圈（即更大的 F 值）能够增加系统的景深（Depth of Field），从而提升不同距离目标及不同波段之间的成像一致性。然而，较小的光圈也意味着进入相机的光通量减少，因此系统需要配备灵敏度更高、信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）更高的图像传感器，以保证在光照不足条件下仍能获得高质量的数据。因此，在实际系统设计中，需要在景深、进光量和成像信噪比之间进行合理权衡。

空间分辨率与地面采样距离（GSD）如前所述，相机能够分辨的最小目标尺寸受到多种因素共同影响，包括镜头性能、传感器尺寸、像素大小以及系统光学设计等。对于航空遥感、无人机遥感等测绘应用，高光谱系统通常采用地面采样距离（Ground Sample Distance,GSD）来近似表示空间分辨率。GSD定义为：相邻两个像素中心投影到地面后的平均距离。在图像已经准确聚焦的前提下，系统能够达到的空间分辨率（以线对/米（Line Pairs per Meter）表示）约为：空间分辨率约等于 GSD 两倍的倒数。最小工作距离的重要性除了GSD之外，镜头的最小工作距离（Minimum Working Distance）同样会影响系统能够分辨的最小目标尺寸。这一参数在近距离高光谱应用中尤为重要，例如：输送带在线检测（Conveyor  Belt  Inspection）实验室样品分析显微高光谱成像工业机器视觉检测在这些应用中，由于设备安装空间有限，通常无法简单地将相机进一步靠近目标来提高空间分辨率，因此镜头能够实现清晰成像的最小工作距离，将直接决定系统最终能够检测到的最小目标尺寸及检测精度。

场景光照、曝光时间与信噪比

待成像场景中的可用光照水平（Available Light Levels）将显著影响高光谱相机能够采用的曝光时间，以及最终能够获得的成像质量。随着空间分辨率和光谱分辨率的提高，这一影响会更加明显。原因在 于：当光被划分到更多的空间像素和更窄的光谱波段时，每个像素能够接收到的光子数量会减少，从而使噪声对应用性能的影响更加突出。快照式视频高光谱的帧率限制对于快照式视频高光谱相机（Snapshot Hyperspectral Video），在低照度条件下，为获得足够的信噪比往往需要延长曝光时间，因此系统实际能够达到的最大帧率可能低于标称帧率。

通常：最大帧率约等于曝光时间的倒数；或受相机本身以及用于数据记录的计算单元带宽限制。

例如，当曝光时间达到33ms时，系统帧率理论上将受到约30fps的限制。

线扫描系统中的帧率含义

对于线扫描（Push-broom）高光谱相机，产品文档中标注的“帧率”通常指的是：单条扫描线（Line）的采集速率而不是完整二维图像的输出帧率。因此，在评估线扫描系统的动态成像能力时，需要同时考虑扫描速度、平台运动速度以及最终图像的拼接方式。

运动模糊与扫描畸变

虽然可以通过增加曝光时间来补偿低光照，但场景中的运动更容易引入运动模糊（Motion Blur）。对于：快照马赛克系统（Snapshot Mosaic）编码孔径系统（Coded Aperture）其主要影响表现为普通的运动模糊。而对于扫描式高光谱系统，除了运动模糊之外，还会出现额外的几何畸变：当目标沿扫描方向运动时，目标图像可能被拉伸（Elongated）；当目标逆扫描方向运动时，目标图像可能被压缩（Contracted）。这也是扫描式系统在动态场景中应用受限的重要原因之一。

光子噪声与信噪比

对于现代高光谱相机，大多数应用中的主要噪声来源通常是光子噪声（Photon Noise），即光子到达过程的统计波动。在光子噪声占主导的情况下，测量的信噪比（SNR）会随着接收到的光子数量N增加而提升，其关系近似为：

因此：收集到的光子越多，信噪比越高；噪声相对于信号的影响会按1/N的规律减小。然而，高光谱相机在不同波长处能够接收到的光子数量并不相同，还会受到：光源类型、光谱分布、场景反射率、波长响应特性等因素的共同影响。例如，在近红外波段，若照明光源在该波段能量较弱，则即使曝光时间相同，获得的光子数也可能明显少于可见光波段。

Living Optics相机的SNR

因此，在评估高光谱相机性能时，除了关注分辨率和帧率之外，还应重点关注：不同波长下的SNR曲线、在目标照明条件下能够达到的有效帧率、曝光时间与运动模糊之间的平衡、系统在动态场景中的光子利用效率。

对于Living Optics的快照式视频高光谱相机，后续章节通常会给出其在不同波长和曝光条件下的SNR（Signal-to-Noise  Ratio）性能曲线，用于评估系统在实时动态应用中的实际成像能力。

Living Optics相机的实测信噪比与建模仿真信噪比估算结果