短波红外高光谱成像：SWIR技术实用指南

本文为读者提供了短波红外 (SWIR) 高光谱成像的通俗介绍，提供了其实际应用的一些示例，以及掌握这项创新技术的优势和潜力的基本知识。

SWIR 高光谱成像是一种先进的成像技术，它将短波红外光与高分辨率传感器相结合，以捕捉物体或场景化学成分的详细信息。SWIR 高光谱成像能够将人眼不可见的物质呈现出来，在广泛的应用领域中具有重要的意义。

什么是高光谱成像？

在深入研究 SWIR 之前，让我们先了解一下高光谱成像的定义。

分析物体和材料独特的光谱特征，可以识别它们。

标准 RGB 相机使用三个可见光波段（红色、绿色和蓝色）捕捉图像，而高光谱成像使我们能够检查物体如何与更多光谱波段相互作用，通常范围从 250 nm 到 15,000 nm，从紫外线 (UV) 到热红外线。

高光谱成像为每个捕获的像素提供空间和光谱信息的组合。光谱信息使我们能够检索用于识别和分类样本的信息。利用这些信息，我们可以进行定性和定量分析。空间信息揭示了材料的分布和区域分离，从而可以进行尺寸和形状分析、分布映射和统计评估。

什么是 SWIR 高光谱成像？

当我们谈论短波红外 (SWIR) 光谱范围时，我们特指 1,000 至 2,500 nm 之间的范围。下图展示了 SWIR 光谱区域与整个电磁波谱的关系。

图 1：不同光谱区域的样本

下表显示，不同的分子键吸收不同波长的光。SWIR光谱范围使我们能够观察到物质的化学成分，超越人眼可见的范围。许多对研究和工业至关重要且有价值的物质，例如蛋白质、水分、糖等，都可以在SWIR光谱范围内检测到。

图 2：SWIR 波长范围内的倍频峰

受益于 SWIR 光谱范围的应用

受益于 SWIR 光谱范围的应用领域非常广泛，例如地质学、农业、环境监测、垃圾分类和回收、食品质量和安全、艺术品检验以及制药等。接下来，我们将探讨 SWIR HSI 技术在这些领域的一些应用示例。

地质学

下图显示了不同的光谱区域——可见光和近红外 (VNIR)、短波红外 (SWIR)、中波红外 (MWIR) 和长波红外 (LWIR)——适用于探测不同类型的矿物和矿石。图中显示，SWIR 是许多矿物和矿石的理想光谱区域。我们几乎可以说，SWIR 是地质应用必备的光谱范围相机。

图 3：矿物鉴定图，由 TerraCore / GeoSpectral Imaging 公司的 Phil Harris 博士提供

下图是一个岩心测井应用的示例，其中绘制了高分辨率的矿物分布图。左侧是可见光和近红外 (VNIR)，右侧是长波红外 (LWIR)，中间是短波红外 (SWIR)。该图显示，使用 SWIR 可以高精度地绘制不同类型的矿物分布图，并具有较高的空间分辨率。

图4：高分辨率矿物测绘

SWIR 高光谱成像非常适合机载和遥感应用。下方示例展示了使用 Spectral Atlas 生成的矿物分布图。通过利用全面的光谱库（其中每种矿物都有独特的光谱特征，就像指纹一样），可以从空中准确识别和绘制矿物分布图。

图5：利用光谱图集处理并获取的地图

SWIR 不仅使我们能够识别不同类型的矿物，而且还能够研究这些矿物的结晶度和化学性质。

图 6: 伊利石晶体的 SWIR 映射，以便更好地了解矿物的变质阶段。

图 7：SWIR HSI 图像显示了伊利石的粉晶、黑云母和方晶石化学性质，表明可以通过 SWIR 成像识别分子结构。

环境监测

SWIR高光谱成像在环境监测中有许多重要的应用。它是绘制和监测各种水环境的有力工具，例如检测微塑料和不同类型的沉积物，以及监测石油泄漏及其在受影响区域的扩散。这项技术使研究人员和环境机构能够评估水质、追踪污染源，并支持更有效的环境管理。

图 8：Specim AisaDUAL相机与目前的AisaFENIX型号对应。它覆盖 400 至 2,500纳米之间的整个光谱范围。AisaDUAL曾用于绘制墨西哥湾“深水地平线”漏油事件的漏油地图。图片由SpecTIR提供

艺术品检验

SWIR 光谱范围在艺术品检验中非常有用。在本例中， Specim 的SWIR 相机用于对挂毯进行材料分析。SWIR HSI 使我们能够研究所见内容的化学成分，因此可以绘制挂毯不同部分使用的织物/线的类型。值得注意的是，SWIR HSI 还可以识别材料中不同类型的颜料，并检测其底层。

图9： Specim SWIR相机用于挂毯的材料分析。右图显示了材料成分——丝绸是白色的，其余的是羊毛。

绘制混凝土中的石棉分布图

罗马的一所大学使用Specim 的SWIR 相机研究混凝土的不同特性，例如石棉的存在。图中可以看到四种不同类型的石棉，它们可以通过 SWIR 光谱相机精确绘制。石棉颗粒非常小。Specim的SWIR 相机可以使用OLESMacro镜头，像素尺寸可达 24 微米。

图 10：使用 SWIR 摄像机检测石棉

监控与安全

SWIR HSI 技术的监视和安全应用有很多，包括检测伪装目标或受扰动的土壤（可能与简易爆炸装置有关），以及机载应用。

图11：SWIR HSI相机用于探测伪装目标。当目标材料的颜色与周围环境融为一体时，SWIR相机只能探测到材料本身。图片由SPECTir提供

图12： Specim的SWIR相机用于探测墙上埋设的爆炸物。右图为SWIR相机在机载应用中用于异常探测/地雷探测，以识别因埋设爆炸物而扰动土壤的位置。图片由SPECTir提供

植被

SWIR 光谱范围可用于监测植物的健康状况。例如，SWIR HSI 可用于检测植物营养缺乏或害虫的存在。在此类应用中，SWIR 通常与 VNIR结合使用。

图 13: 纳米之间的完整光谱，受叶绿素水平的影响，尤其是在500-600纳米左右，以及受植物水分含量的影响，在970-2500纳米之间。资料来源：Rascher等人（2010年）

食品安全

在食品工业中，SWIR相机用于检测食品生产过程中不同类型的污染物，包括真菌。在本例中，比利时一家专门研究谷物的研究中心使用SWIR相机检测谷物中的真菌。

图 14: Specim SWIR检测食品中的污染物。麦角菌是一种高毒性真菌，图中黑色部分表示。该真菌的光谱特征与其载体（例如小麦）不同，尤其是在 2200纳米和 1700纳米左右。

检测粘合剂和胶水

SWIR HSI 可用于优化涉及涂胶的工艺。在下面的实验中， Specim 的首席应用专家 Mathieu Marmion 测试了纸板和橡胶上的胶水检测。将三种胶水涂在载体上，并在 t 0 和 t +3 小时进行测量，以评估不同粘合剂的可检测性以及是否可以监测其干燥程度。使用 SWIR 相机进行主成分分析 (PCA)，可以识别胶水的位置以及胶水是湿的还是干的。

图 15：使用Specim 的SWIR 相机，可以识别胶水及其阶段，并进行绘图。纸板和橡胶的顶部是干的，底部是湿的。

食品质量

SWIR 光谱范围为 1,000 – 2,500纳米例如，可以绘制脂质、糖和水分这三种对食品工业至关重要的成分。

图16：食品质量——巧克力棒。图片由Campden BRI提供

塑料分类/微塑料检测

下图显示，使用 SWIR相机，所有非黑色塑料均可可靠分选。然而，出于成本原因， Specim FX17 NIR高光谱相机（900-1700 nm）最常用于分选各种非黑色塑料。

图 17：塑料识别图表（VNIR – MWIR HSI）

Specim针对 SWIR 光谱范围提供的产品

高光谱相机

Specim SWIR是一款高速短波红外高光谱相机，工作波长范围为 1000-2500 纳米。它拥有 384 个空间像素，通过CameraLink连接可实现高达 400 帧/秒的图像速率。Specim SWIR 相机专为室内外各种条件下的使用而设计，配备温度稳定的光学元件，可长时间保持一致的辐射性能。这确保了严苛应用所需的稳定性和灵敏度。Specim SWIR 相机可满足实验室、工业和现场应用的最高要求。

AisaFENIX覆盖了从 400 到 2,500纳米的整个光谱范围，这意味着它涵盖了 SWIR 和 VNIR 光谱范围，单个前置光学元件为两个通道提供了 384 个空间像素。AisaFENIX在单个连续图像中提供 VNIR 和 SWIR 波长中可用的最高质量的高光谱数据。由于AisaFENIX高光谱传感器具有极其坚固耐用的特性，并且与上一代产品相比尺寸和重量减少了75 % ，因此它也可以安装在转塔和中型无人机上。AisaFENIX采用独特的“单光学双光谱仪”设计和完全联合配准的 VNIR / SWIR 光谱范围。AisaFENIX是专为机载应用而开发的，但也可以与SisuRock一起用于地质应用。