CN101608997A - 空间二维光谱数据采集装置及采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间二维光谱数据采集装置及采集方法，主要解决现有单元探测器型傅立叶红外光谱辐射计和红外成像光谱辐射计在采集二维空间光谱分布数据时使用不便或者光谱分辨率不高的等缺陷。采用在现有单元探测器型傅立叶红外光谱辐射计上加装一个自动可调的二维扫描机构，通过控制该二维扫描机构中安装于的两轴电控自动转台上的平面反射镜的旋转完成二维光谱数据的采集；通过同步控制器连接光谱辐射计和该二维扫描机构，同步控制二维扫描机构的扫描和光谱数据的采集，最终形成包含较高光谱分辨率的一维光谱信息和丰富的二维空间信息的数据立方体。本发明提高了光谱辐射数据的采集效率和空间采集精度，可用于红外目标光谱成像及目标光谱分析。

Description

空间二维光谱数据采集装置及采集方法

技术领域

本发明涉及光谱辐射计应用领域，特别是涉及一种傅立叶红外光谱辐射计空间二维光谱数据的采集装置及采集方法，可用于红外目标光谱成像及目标光谱分析。

背景技术

红外光谱辐射计是测量物体在红外波段发射光谱的仪器设备。通过获取物体的红外光谱辐射，可以将红外光谱分析技术应用于物体的特性分析，如确定物体红外发射光谱的峰值强度、位置和形状，分析物体，特别是气体的红外光谱吸收特性等，进而完成农业、环境、地质、石油、安全、军事等军用、民用领域众多的应用需求，如在农业、林业上实现农作物、树木的生长评估、病虫害监测，在环境应用方面实现污染监测、地质灾害监测、大规模的地物分类，在安全领域实现危险品、违禁品监测，在军事领域实现对典型军事目标的监控和打击等。

红外光谱辐射计可分为单元非成像型和成像型两类。

单元型红外光谱辐射计以系统视场为单位，每次采集一个视场内的红外光谱辐射分布数据，其数据不包含目标空间信息。单元型光谱辐射计其结构如图1所示，其突出特点是具有很宽的光谱响应范围和极低的系统噪声。

成像型红外光谱辐射计的光电传感模块由大量的单元传感器组成，每个单元传感器完成其所观测的瞬时视场的红外光谱辐射测量，由此实现空间分解的红外光谱辐射测量，获得系统总视场内的红外辐射的空间分布信息。相比单元型红外光谱辐射计，成像型红外光谱辐射计获得的数据不单包含了光谱分布信息，还包含了光谱的空间分布信息，形成了数据立方体，因而可以为实际应用提供更为丰富的信息。

成像型红外光谱辐射计可以完成数据立方体的测量，从而更好地服务于实际应用。但由于空间分辨率、成像帧频方面的限制，相比于单元型红外光谱辐射计，通常的成像型红外光谱辐射计光谱响应范围比较窄，而且光谱分辨率不高，而光谱响应范围和光谱分辨率是光谱数据所包含信息量的关键指标。

通过有规律地手动调整单元型红外光谱辐射计视场方向也可以实现目标空间的分解从而获得带空间分布信息的数据立方体，同时由于单元型红外光谱辐射计的光谱响应范围宽、光谱分辨率高，因而所得到的数据立方体包含非常丰富的目标空间信息。但这种方法存在两个问题：一是由于高性能的红外光谱辐射计是液氮制冷的，所以调整的俯仰角大小是受限制的，俯仰角过大，会使得液氮泄漏，存在安全隐患；二是这种人工的调节不能保证每次的调节严格一致，会给后续的数据处理带来问题。

由上面的分析可见，由于包含光谱分布、空间分布的红外光谱数据立方体包含大量的信息，对众多的领域的实际应用有着非常重要的意义，而现有的单元探测器型傅立叶红外光谱辐射计和红外成像光谱辐射计在采集二维空间光谱分布数据时存在着使用不便或者光谱分辨率不高等缺陷。

因此如何能创设一种既能够方便的采集空间二维光谱分布数据又具有很高的光谱分辨率的采集装置和采集方法实属当前重要的研发课题之一。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提出一种空间二维光谱数据采集装置及采集方法，以方便的采集空间二维光谱辐射数据，得到具有较高光谱分辨率的空间二维光谱辐射数据，形成包含较高光谱分辨率的一维光谱信息和丰富的二维空间信息的数据立方体，提高光谱分辨率。

为实现上述目的，本发明提供的空间二维光谱数据采集装置，包括：光谱辐射计(1)和可见光CCD相机(2)，其特征在于光谱辐射计(1)固定在扫描平台(3)上，该扫描平台(3)在二维空间连续旋转扫描，使反射光光谱进入光谱辐射计(1)采集光谱数据。

所述的扫描平台(3)包括：两轴电控自动转台(4)、平面反射镜(5)和同步控制器(6)，该平面反射镜(5)固定在两轴电控自动转台(4)上，带动平面反射镜(5)旋转，扫描平台(3)通过同步控制器(6)与光谱辐射计(1)连接，两轴电控自动转台(4)固定在三维可调整平台(7)上。该三维可调整平台(7)包括：精密升降调整台(8)、精密平移调整台(9)和精密角位移台(10)，该三个调整台之间相互固定连接。

4.一种空间二维光谱数据采集方法，包括如下步骤：

(1)设置需要采集的二维空间的俯仰角、方位角、光谱辐射计的瞬时视场角、光谱分辨率、空间分辨率；

(2)调整固定于两轴电控自动转台上的平面反射镜，使其移动到指定位置；

(3)当平面反射镜移动到指定位置后，采集当前位置的红外光谱数据和当前视场内的可见光数据；

(4)当前位置的数据采集完成后，判断当前位置是否是最后一个位置，如果不是，则继续移动到下一个位置进行光谱数据采集；如果是最后一个位置，则表示所有位置的光谱数据采集完成；

(5)所有位置的光谱数据采集完成后，再采集标准热源的两个温度的光谱数据作为参考源；

(6)利用参考源定标采集到的各位置光谱辐射，并将定标后的光谱辐射对应到二维空间的相应位置，形成包含一维光谱信息和二维空间信息的数据立方体。

本发明具有下列优点及有益效果：

1)本发明由于采用在现有单元探测器型傅立叶红外光谱辐射计上加装一个自动可调的二维扫描机构，因而可通过控制该二维扫描机构实现空间的二维光谱数据采集，并且采集的视场角极大。

本发明由于采用了在两轴电控自动转台上安装平面反射镜，该平面反射镜随着二维电控自动转台一起转动，从而完成二维光谱数据的采集。

本发明由于采用了同步控制器，可通过同步控制器控制二维扫描机构的转动，大大提高了光谱辐射数据的采集效率和空间采集精度。

本发明提供的空间二维光谱数据采集装置，拆装和调整都非常方便，非常适合于野外光谱数据的采集。

本发明提供的空间二维光谱数据采集方法，弥补了先前通过人工手动调整整个光谱辐射计角度来采集空间二维光谱数据时精度不足的缺陷，完善并统一了光谱数据采集中各设备的管理。

本发明相对于现有红外成像光谱辐射计来说，具有比红外成像光谱辐射计更宽的光谱相应范围，更高的光谱分辨率，而且具有红外成像光谱辐射计不可比拟的空间视场角。

本发明所提出的空间二维光谱数据采集装置，只需要在程序上更改不同的配置参数，即可应用于红外成像光谱辐射计，从而增加红外成像光谱辐射计的采集视场。

附图说明

图1为现有单元探测器型傅立叶红外光谱辐射计的结构示意图；

图2为本发明的采集装置结构示意图；

图3为本发明的采集方法流程图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的空间二维光谱数据采集装置及采集方法其具体实施方式、结构、方法、步骤、特征及其功效，详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参阅图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得一更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

参照图1，为现有单元探测器型傅立叶红外光谱辐射计1，其中101为目镜，用于人眼观测。

参照图2，本发明较佳实施例提出的一种空间二维光谱采集装置，它包括光谱辐射计201、可见光CCD相机202、精密升降调整台203、精密平移调整台204、精密角位移台205、两轴电控自动转台206、平面反射镜207、底板208、安装底座209和同步控制器210。其中，光谱辐射计201是单元非成像型傅立叶光谱辐射计，安装在底板208上，其光谱相应范围是2-15um，每一次采集可以记录一个点的光谱辐射；可见光CCD相机202，安装于单元探测器型傅立叶红外光谱辐射计201的目镜位置，它的图像输出信号线和同步控制器210连接，主要作用是在采集光谱数据时同步记录视场内的可见光数据，用于后续光谱数据处理时的参考；精密升降调整台201具有带锁紧的升降手轮，其主要作用是调整安装在其上的平台进行上下移动，以便使得整个系统的光轴可以调整；精密平移调整台202的主要作用是调整安装在其上的平台进行平行移动，以便使得整个系统的光轴可以调整；精密角位移台203的主要作用是调整安装在其上的平台倾角可调，以便使得整个系统的光轴可以调整，该精密升降调整台201与所述的精密平移调整台201和精密角位移台203三者固定在一起组成一个空间三维可调的调节台，这个空间三维可调的调节台固定在底板208上；两轴电控自动转台206固定在三维可调的调节台上面，能够围绕两轴的交点进行旋转，主要作用是使得固定在其上的物体随着转台一起旋转；平面反射镜207固定在两轴电控自动转台上，随着转台旋转，旋转时候光轴不变，平面反射镜207反射表面采用金镀层，使得对红外辐射具有良好的反射作用；底板208上面安装上述所有采集所需要的部件，以使得所有部件处于同一水平面；安装底座209具有可方便拆装的结构，与底板208固定在一起，主要作用是将整个采集装置和底板固定在一个可以移动的支架上，方便搬动；同步控制器210连接单元探测器型傅立叶红外光谱辐射计201、可见光CCD相机202和两轴电控自动转台206，其主要作用是控制两轴电控自动转台进行旋转，并且同步采集空间各点的红外光谱数据和可见光数据。

参照图3，本发明的空间二维光谱数据采集方法，包括如下步骤：

(301)在同步控制器上设置需要采集空间二维光谱数据视场的俯仰角、方位角、光谱仪的瞬时视场角、光谱分辨率、空间分辨率。所设置的俯仰角和方位角确定了空间二维光谱数据采集的空间视场范围，该两轴电控自动转台的旋转步长根据光谱仪的瞬时视场角来设定，该同步控制器的光谱分辨率和空间分辨率根据所需要采集的光谱数据的光谱分辨率和空间分辨率来设定。

(302)控制固定于两轴电控自动转台上的平面反射镜移动到指定位置，并判断是否移动到指定位置。当平面反射镜移动到指定位置并稳定后，同步控制器自动采集当前位置的红外光谱数据和当前视场内的可见光数据，并判断当前位置的数据采集是否完成。

(303)当前位置的数据采集完成后，同步控制器判断是否接收到所有数据采集完成的标志，如果接收到该标志，则表示按照设定的空间二维光谱数据采集完成，否则，继续移动到下一个位置进行数据采集。

(304)将标准热源加热到设定的温度并稳定后，采集标准热源的两个温度的光谱数据作为参考源。这两个温度处于所采集的空间二维视场的最高和最低两个边界温度之外，并且尽可能接近边界温度。

(305)使用参考源数据来定标采集到的各个点光谱辐射。由于参考源的为已知温度的光谱辐射，利用普朗可公式可以计算其光谱辐出度。在此，可利用这两个参考源的光谱辐出度采用插值算法来定标采集的各个点光谱辐射。

(306)由步骤301确定的空间分辨率参数，将定标后的光谱辐射对应到二维空间的相应位置，形成包含一维光谱信息和二维空间信息的数据立方体。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种空间二维光谱数据采集装置，包括光谱辐射计(3)和可见光CCD相机(4)，其特征在于光谱辐射计(3)固定在扫描平台(5)上，该扫描平台(5)在二维空间连续旋转扫描，使反射光光谱进入光谱辐射计(3)采集光谱数据。

2.根据权利要求1所述的空间二维光谱数据采集装置，其特征在于扫描平台(5)包括：两轴电控自动转台(6)、平面反射镜(7)和同步控制器(8)，该平面反射镜(7)固定在两轴电控自动转台(6)上，带动平面反射镜(7)旋转，扫描平台(5)通过同步控制器(8)与光谱辐射计(3)连接，两轴电控自动转台(6)固定在三维可调整平台(9)上。

3.根据权利要求2所述的空间二维光谱数据采集装置，其特征在于三维可调整平台(9)包括：精密升降调整台(10)、精密平移调整台(11)和精密角位移台(12)，该三个调整台之间相互固定连接。

4.一种空间二维光谱数据采集方法，包括如下步骤：

(1)设置需要采集的二维空间的俯仰角、方位角、光谱辐射计的瞬时视场角、光谱分辨率、空间分辨率；

(2)调整固定于两轴电控自动转台上的平面反射镜，使其移动到指定位置；

(3)当平面反射镜移动到指定位置后，采集当前位置的红外光谱数据和当前视场内的可见光数据；

(4)当前位置的数据采集完成后，判断当前位置是否是最后一个位置，如果不是，则继续移动到下一个位置进行光谱数据采集；如果是最后一个位置，则表示所有位置的光谱数据采集完成；

(5)所有位置的光谱数据采集完成后，再采集标准热源的两个温度的光谱数据作为参考源；

(6)利用参考源定标采集到的各位置光谱辐射，并将定标后的光谱辐射对应到二维空间的相应位置，形成包含一维光谱信息和二维空间信息的数据立方体。

5.根据权利要求4所述的空间二维光谱数据采集方法，其中步骤(5)所述的标准热源的两个温度，该温度在二维空间温度的上、下边界温度之外，并且尽量接近边界温度，以保证定标出的光谱辐射的精确度。

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