图1为便携式高光谱成像仪的实物图及原理框图, 仪器性能参数见表1。

图1

Fig.1

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	图1 便携式光谱成像仪实物图及结构原理图Fig.1 Physical picture and structure diagram of portable spectral imager

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 仪器性能参数 Table 1 Instrument performance

表1 仪器性能参数 Table 1 Instrument performance

便携式高光谱成像仪主要由光学子系统、成像子系统、数据采集控制子系统、电源和应用软件等组成。其中, 光学子系统由前置镜头、中继镜前、后组和分光元件组成。成像子系统主要由CCD相机构成。数据采集控制子系统由嵌入式处理器、液晶触控屏等组成。应用软件包括数据采集软件和光谱图像分析软件。使用时, 由光学子系统收集光信号并进行光谱分光, 由成像子系统获取图像数据, 数据采集控制子系统采用嵌入式处理器实现系统控制, 并采用液晶触控显示屏作为人机交互界面。由数据采集软件配合完成对数据采集的控制, 同时, 数据采集软件还具备现场实时处理数据的功能。光谱图像分析软件提供了离线对采集到的数据进行更加深入和高级的处理与分析功能。独立的锂电池为光谱成像仪、嵌入式处理器和液晶触控显示屏提供电源, 使得整个系统在无任何外接电源的情况下可独立工作, 满足现场应用的需求。系统可额外配置主动光源进行照明。

图2所示的数据立方体为高光谱成像仪采集得到的黑布上血迹的数据, 可以看到, 所谓的光谱成像即是在普通的二维空间成像的基础上, 增加了一维光谱信息, 对于空间图像中的每一点, 按照光谱维展开, 就是这一点对应的光谱曲线, 如图3所示, 由于不同物质成分不同, 其对应的光谱曲线存在差异, 从而可以利用目标的光谱进行识别和分类。一些在可见光谱段不能表现出来的物质差异, 却可以在红外谱段中显现出来, 光谱成像仪能够记录这些谱段的图像, 因此, 非常有助于显现肉眼难以发现的细微差异或潜在目标。

图2

Fig.2

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	图2 数据立方体Fig.2 Data cube

图3

Fig.3

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	图3 光谱反射曲线（绿线：黑布; 红线：血迹）Fig.3 Reflectance spectrum of black cloth (green) and blood (red)

采用图1所示便携式光谱成像仪分别采集深色或复杂背景下血迹、火药、毛发纤维、文字及其他材料的光谱图像数据立方体并进行数据分析, 采用的软件为自主开发的高光谱图像数据处理软件SpecImgAnalyzerV1.0, 该软件提供了光谱解混合、光谱分类、图像处理等多种数据分析工具, 通过对被测目标进行形态与光谱分析, 可高效识别、侦测出肉眼难以区分的物质。

1.2.1 血迹实验

实验准备了15块黑色/花色布料（如图4）, 材质包括西裤布料、棉布、尼龙、聚酯纤维、粘纤等, 布料的具体组分比例未知, 但几乎各不相同, 在15块布料上各滴上3滴血形成血斑, 待干后使用光谱成像仪进行检测。准备检材过程中发现, 血迹很难渗透到布料中, 多数在布料表面形成血斑, 呈暗红色, 肉眼可区分, 15块布料中, 12块布料上的血斑肉眼可见, 3块布料上（2/3/15号）的血斑不可见。

图4

Fig.4

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	图4 15块带血迹的布料外观图Fig.4 Appearance of 15 textiles tainted with blood

1.2.2 火药实验

在两块黑色布料上洒落了一小撮火药粉末（约3 mg）, 包括点燃过的火药灰和未燃烧过的火药各一撮, 其中一块布料为表面带绒毛的布料, 另一块为西裤布料。使用光谱成像仪检测是否能发现火药并分辨点燃过和未燃烧的火药。

1.2.3 毛发实验

在深色布料及花色布料上放置头发, 使用光谱成像仪进行检测和快速搜索。

1.2.4 文字重现实验

检材1为黑色鼠标垫上用晨光牌黑色中性笔与黑色油性记号笔分别书写“ 青岛欢迎你” , 肉眼无法看到潜在的书写笔迹。检材2为晨光牌黑色中性笔书写“ 念奴娇· 赤壁怀古” 后, 用晨光牌黑色油性记号笔覆盖。

1.2.5 物质甄别实验

采用光谱成像仪对镜头及真假树叶进行成像并采集数据, 分析比对不同材料的光谱曲线, 对材料进行区分。

使用仪器检测发现, 对于12块肉眼可见的血斑, 在可见光波段（650 nm, 见图5中5、6、11、12号）都能检测出来, 表现为：布为深色调, 血斑为浅色调, 在近红外波段（810 nm, 见图5中1、2、3、4、7、8、9、10、13、14、15号）, 一些布料上的血迹较明显（布为浅色调, 血斑为深色调）, 而个别布料上的血迹不明显, 血斑与背景反差较小, 易受光照和阴影等影响判断, 这主要与布料的反射特性和血迹的反射特性的差异有关, 差异越大血迹越明显, 同时发现, 近红外波段对花布上背景抑制得很好。

图5

Fig.5

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	图5 血迹探测Fig.5 Detection of blood on the kind-different textiles

对于3块肉眼不可见的血斑, 3号样品在近红外波段与背景的图像反差较明显, 将血液使用自来水稀释5/10倍后滴到该布上仍可检测到血斑, 继续稀释到25倍后则不能检测到, 见图6。2号和15号布料在近红外波段检测不到血斑。但采用与第一次实验相同的方法重新在上面滴血再次实验, 血量增加一倍, 结果发现：在近红外波段, 两块黑布上的血斑均能探测到, 黑布呈现浅色调, 血斑呈现深色调。分析这两块检材的特点, 一块上面分布着较长的绒毛, 绒毛对血迹吸附性较差, 第一次检测不成功可能由于血迹渗透到绒毛下面被遮盖而不能探测到, 另一块检材布料手感较硬, 吸附性很差, 第一次检测不成功可能由于吸附血迹太少不能探测到。

图6

Fig.6

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	图6 血液稀释5/10/25倍检测结果Fig.6 Detection of the blood diluted by 5/10/25 fold

从血斑肉眼可见的布料中挑选了5块, 放入清水中浸泡2 h, 取出后晾干, 布料上的血斑几乎不可见, 然后用仪器进行检测, 结果发现：仅有5号布料上的血斑还隐约可见, 其他4块布料上不能检测到原来的血斑留下的痕迹, 见图7。

图7

Fig.7

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	图7 清洗后布料检测结果Fig.7 Detection of blood on the washed textile

带绒毛的布料较容易吸附火药灰, 且布料在近红外波段反射率较大, 在图像中呈现较浅色调, 其上深色的火药很明显(图8); 西裤布料对火药吸附力相对差, 而且布料在近红外波段反射率较小, 其上深色的火药相对而言更难检测, 在可见光650 nm反而更加明显（图9）, 同时还发现, 火药较浓密的区域在近红外谱段的图像中有表现, 火药较稀疏的区域在图像中与背景几乎不可分辨。同时, 燃烧后火药灰和未点燃火药在近红外光谱范围内谱形基本相似, 但在反射强度上存在一定的差异, 通过软件的解混合功能提取火药的图像并增强, 见图8, 燃烧后的火药在图像中表现得更加明亮。洒落在手背上的微量火药很难检测。

图8

Fig.8

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	图8 火药检测（左上）实物图（右上）850nm光谱图像（左下）光谱解混合提取的火药图像（右下）燃烧前/后火药的反射光谱Fig.8 Detection of powder ignited or not. Physical picture (upper left); spectral image of 850nm (upper right). Extracted image (lower left) of powder by spectral unmixing; reflectance spectrum (lower right).

图9

Fig.9

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	图9 火药显现（左）实物图（中）650nm光谱图像（右）850nm光谱图像Fig.9 Powder reappearance. Physical picture (left); spectral image of 650nm (middle); spectral image of 850nm (right).

在近红外波段, 深色布料呈现的色调较浅, 花色布料上的图案抑制的很好, 在较亮的背景下毛发呈现深色, 更容易被发现, 见图10。

图10

Fig.10

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	图10 毛发搜索（左）实物图（右）840nm光谱图像Fig.10 Hair search. Physical picture (left); 840nm-spectrum image (right)

利用便携式高光谱成像仪可鉴别出两种不同的潜在笔迹, 以不同颜色区分（图11（上））。同时, 利用便携式高光谱成像仪在近红外谱段可重现被覆盖的文字, 图11（中）为黑色中性笔书写的“ 念奴娇赤壁怀古” , 然后使用另一支黑色油性笔覆盖, 图11（下）为采集完数据立方体后利用软件中光谱解混合方法进一步处理得到的伪彩色图像。

图11

Fig.11

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	图11 文字重现Fig.11 Retrieved result of spectral images of text

图12中肉眼或相机无法分辨镜头的材料组成, 利用高光谱成像仪可明显鉴别出镜头由几种不同的材料制成, 以不同颜色区分, 它们对应的光谱曲线也各不相同。图13中真叶和布仿制假叶混在一起, 利用近红外高光谱成像仪可以明显区分出两者不同。

图12

Fig.12

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	图12 物质甄别（左）光谱图像分析结果（右）物质反射光谱曲线Fig.12 Material identification. analytic result of spectral images (left); reflectance spectrum (right).

图13

Fig.13

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	图13 真伪甄别（左）820nm光谱图像（右）反射光谱曲线Fig.13 Discrimination of true/false object. 820nm-spectrum image (left); curve of spectral reflectance (right).