為什么不同物質(zhì)有不同的光譜曲線？

不同物質(zhì)之所以呈現(xiàn)出不同的光譜曲線，是因?yàn)樗鼈儗?duì)電磁波的吸收、反射與透射特性取決于其分子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)。分子中的化學(xué)鍵會(huì)在特定波長(zhǎng)產(chǎn)生振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)吸收，從而形成特征吸收峰；晶體結(jié)構(gòu)和電子能級(jí)也會(huì)影響光的散射與吸收，使材料在某些波段表現(xiàn)出獨(dú)特的反射特性。同時(shí)，宏觀狀態(tài)如粗糙度、含水量和密度等也會(huì)進(jìn)一步改變光譜表現(xiàn)。因此，不同物質(zhì)在光譜維度上具有獨(dú)特的“光譜指紋"，高光譜成像正是通過捕捉這些差異，實(shí)現(xiàn)物體識(shí)別和定量分析。

高光譜常見的數(shù)據(jù)

1. DN 值（Digital Number）

DN 就是相機(jī)探測(cè)器把光信號(hào)轉(zhuǎn)成的數(shù)字值，本質(zhì)上是“像素灰度"。它不是物理量，會(huì)受到曝光時(shí)間、增益、暗電流等影響。同樣一張白板，在長(zhǎng)曝光下 DN 會(huì)更高。DN 是“相機(jī)看到的數(shù)字"，但還不是“真實(shí)光強(qiáng)"。

2. 輻射度（Radiance / Irradiance）

輻射亮度 Lλ單位波長(zhǎng)、單位面積、單位立體角的輻射功率，常用單位W·m?2^·sr?1^·nm?1。成像光譜儀面向目標(biāo)時(shí)，更直接獲取的是目標(biāo)的輻射亮度。通過積分球/標(biāo)準(zhǔn)光源標(biāo)定可得到每個(gè)波段的響應(yīng)系數(shù) ak,bk，把 DN 映射到 L：

其中 Sk為系統(tǒng)輻射響應(yīng)度（把“每曝光時(shí)間的凈 DN"換算成物理量的比例系數(shù)），t為曝光時(shí)間。

3. 反射率

在高光譜成像中，探測(cè)器最初采集到的數(shù)據(jù)是輻射亮度，即目標(biāo)物體在不同波段上向外輻射或反射的能量強(qiáng)度。然而，這一原始信號(hào)不僅包含物體自身的信息，還受到光源強(qiáng)度、環(huán)境條件以及儀器響應(yīng)等多種因素的影響。因此，為了獲得能夠反映物體本征特性的光譜信息，需要將輻射亮度數(shù)據(jù)經(jīng)過校正，轉(zhuǎn)化為反射率。

反射率是指物體在特定波長(zhǎng)下對(duì)入射光的反射能力，它是一個(gè)與外界光照條件相對(duì)無(wú)關(guān)的物理量，能夠直接反映物質(zhì)的光譜特性。為了完成從輻射亮度到反射率的校正，通常需要進(jìn)行白板和暗場(chǎng)校準(zhǔn)。白板校準(zhǔn)利用高反射率、光譜特性已知的標(biāo)準(zhǔn)白板作為參考，通過測(cè)量其反射光強(qiáng)來(lái)消除光源和儀器系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的影響；暗場(chǎng)校準(zhǔn)則是在完*無(wú)光或遮擋情況下測(cè)得探測(cè)器本身的噪聲水平，用于去除背景噪聲干擾。經(jīng)過白板和暗場(chǎng)校準(zhǔn)后，最終得到的反射率數(shù)據(jù)可以有效排除外部因素的影響，更準(zhǔn)確地體現(xiàn)不同物質(zhì)的真實(shí)光譜特征。黑白校正的公式為：          

式中：R是校正后的反射率數(shù)據(jù)；I是原始光譜數(shù)據(jù)；W是標(biāo)準(zhǔn)白板圖像數(shù)據(jù)；B是關(guān)閉鏡頭的暗電流圖像數(shù)據(jù)。

以不同煙葉高光譜數(shù)據(jù)為例（圖1），能夠看出，原始未校準(zhǔn)下的圖像背景和樣品區(qū)域整體亮度受光源分布和儀器響應(yīng)的影響。從DN值上無(wú)法判斷樣品曲線的物質(zhì)特征，校正后該波段下的圖像整體灰度分布更加均勻，目標(biāo)區(qū)域與背景對(duì)比更加清晰，消除了光源和探測(cè)器響應(yīng)帶來(lái)的系統(tǒng)性干擾。且經(jīng)過校正后的反射率曲線，縱軸歸一化到 0–1 區(qū)間，代表物體在不同波長(zhǎng)下的真實(shí)反射比例。此外，從圖1也能夠看出各 ROI 曲線由于物質(zhì)不同，所反映出的光譜特征也不同。

圖 反射率校正前和校正后的光譜曲線

國(guó)產(chǎn)高光譜分選儀推薦

雙利合譜-GaiaSorter-Dual 雙相機(jī)高光譜分選儀

GaiaSorter-Dual“蓋亞"雙相機(jī)全波段高光譜分選儀通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析，可進(jìn)行針對(duì)果蔬的水分、糖酸度等內(nèi)、外部信息以及其他類型物品（如塑料、煙草、巖石等）分級(jí)、分選所需信息的獲取，并通過后續(xù)的控制開發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的全自動(dòng)化分選。

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1. 全波段雙相機(jī)配置：搭載全波段光譜相機(jī)，檢測(cè)覆蓋400~1000nm、900~1700nm（或 1000~2500nm），無(wú)需額外更換設(shè)備即可適配多品類樣品檢測(cè)；

2. 全流程自動(dòng)控制：支持光譜相機(jī)類型、電控平移臺(tái)掃描速度、文件保存路徑的自動(dòng)切換，減少人工干預(yù)，提升檢測(cè)效率；

3. 相機(jī)無(wú)縫切換：數(shù)據(jù)采集過程中自動(dòng)完成雙相機(jī)切換，避免波段斷層，保障光譜數(shù)據(jù)連續(xù)性；

4. 數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)化：具備近紅外相機(jī)噪聲壞點(diǎn)修復(fù)功能，降低數(shù)據(jù)干擾，提升光譜數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；

5. 光譜校準(zhǔn)自動(dòng)化：自動(dòng)完成光譜反射率校準(zhǔn)，無(wú)需手動(dòng)操作，進(jìn)一步保障檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。

雙利合譜-高光譜分選儀應(yīng)用案例分享：

煙草煙葉分選

煙梗含量檢測(cè)大多采用在生產(chǎn)線采樣，然后進(jìn)行粉碎，分離出煙梗，再通過稱重 的方法得出煙葉含梗量，不僅周期長(zhǎng)，操作復(fù)雜， 還會(huì)影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，對(duì)于超標(biāo)的煙葉無(wú)法及時(shí)從生產(chǎn)線上剔除。本研究的目的是通過利用成像高光譜技術(shù)無(wú)損監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)不同品種煙絲、梗絲進(jìn)行分析研究，以期通過雙利合譜-成像高光譜技術(shù)可快速識(shí)別不同品種的煙絲、煙梗絲。

水果損傷檢測(cè)

蘋果、雪梨、桃等水果很容易在生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)受到損傷，而普通的RGB 相機(jī)很難通過機(jī)器視覺方式解決問題，利用雙利合譜-高光譜成像技術(shù)可以對(duì)樣品無(wú)損傷的情況下進(jìn)行品質(zhì)監(jiān)測(cè)。

肉類摻假檢測(cè)

牛肉、羊肉、雞肉等摻和在一起時(shí)，很難通過視覺、味覺等發(fā)現(xiàn)其差異，利用雙利合譜的高光譜成像技術(shù)可以快速判斷肉質(zhì)屬性、分布、含量多少等信息。(b) 說明：羊肉摻假鴨肉摻假可視化圖像和不同摻假比例樣品特征光譜