CN101806622A - 一种地面成像光谱测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于遥感技术和光谱技术领域，涉及一种在地面获取地物成像光谱数据并对其进行预处理的系统。本系统包括成像光谱数据获取部分，数据采集存储与处理部分，驱动控制部分和多功能系统平台，地物通过一个垂直于轨道方向的狭缝成像，其光线经过准直镜后平行射出，经色散器件在垂直条带方向按光谱色散，经会聚镜成像在探测器的光敏面上，并进行进一步的数据处理和图像显示。利用本发明设计的地面成像光谱测量系统，可以获得地物连续的具有较高光谱分辨率和较高空间分辨率的地物目标的成像光谱数据，利用配套的控制软件和数据处理软件，可实现数据测量控制、回放、数据定标、光谱特征提取等功能，从而解决了非运动目标的运动光谱成像技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及遥感技术和光谱技术领域，特别是涉及一种在地面获取地物成像光谱数据并对所获取数据进行预处理的系统。
背景技术
任何对地遥感都有尺度效应的问题，在遥感器视场角不变的情况下，不同的遥感飞行高度对应不同的像元地面大小。野外光谱测量所对应的地面视场范围与光谱图像像元的大小相对应是图像光谱定标质量好坏的一个关键因素，而目前野外光谱辐射计均难以做到地面视场的精确设定。我们研制的高分辨地面成像光谱系统，不仅保留地面光谱测量的特点，也具有精确设定视场范围和高地面分解力的优势，尤其适合于混合光谱研究和可变尺度下的像元光谱组构分析。
现阶段国内外测量地面光谱所用的光谱仪几乎都是非成像式的，成像式光谱仪还主要应用在航空、航天领域。国外对于地面成像光谱仪的研究正在广泛展开，推出的几种地面成像光谱仪功能都很简单(Field Imaging Spectrometer System，FISS，地面成像光谱系统)。国内目前还缺乏专门研制的地面成像光谱仪，我们研制的高分辨地面成像光谱系统不仅是在科学理论上的重要创新，也将推动我国实用型地面成像光谱技术和产品的快速发展。
发明内容
(一)要解决的技术问题
结合我国较成熟的航空成像光谱仪技术，研制在测量地物光谱时能同步实现高分辨率成像的地面成像光谱系统，实现在科学理论上的重要创新，推动我国实用型地面成像光谱产品的快速发展，促进国内有关地面波谱测量和航空成像光谱技术的进一步发展和完善。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种地面成像光谱测量系统，其特征在于，包括：
成像光谱数据获取部分，包括：摆镜装置，获取待测地物的光谱，并对其进行反射；前置光学系统，设置在所述摆镜装置反射光线一侧，包括物镜和狭缝，狭缝置于物镜成像一侧，由物镜接收所述摆镜装置的反射光线并成像；分光系统，设置在所述狭缝后侧，物镜所成的像经狭缝到达分光系统进行分光处理；CCD面阵探测器，设置在所述分光系统后侧，接收所述分光系统的分光并进行感光探测；
数据采集存储与处理部分，与所述成像光谱数据获取部分相连，对所述CCD面阵探测器所探测到的数据进行采集存储以及处理；
驱动控制部分，与所述成像光谱数据获取部分相连，对所述成像光谱数据获取部分进行驱动和控制；
多功能系统平台，包括支架和旋转部分，用于支撑和旋转所述成像光谱数据获取部分的组成部件。
其中，所述摆镜装置包括扫描镜，所述扫描镜包括反射镜及其机械框架，所述反射镜表面镀有反射膜。
其中，所述反射镜连接有步进电机，通过所述步进电机的驱动做来回摆动。
其中，所述狭缝与分光系统之间还设置有准直透镜，将透过狭缝的发散光转换为平行光。
其中，所述分光系统采用棱镜-光栅-棱镜的组合方式，将入射光谱分开。
其中，所述分光系统与所述CCD面阵探测器之间还设置有会聚透镜，将透过所述分光系统发出的光会聚到所述CCD面阵探测器上。
其中，所述多功能系统平台设置为360°旋转。
其中，所述数据采集存储与处理部分包括数据处理部分，所述数据处理部分包括辐射传输模型库，其中包含辐射传输模型；标准参考板数据库，其中包含标准参考数据；定标系数查找表模块，用于查找定标系数；成像光谱数据定标单元，与所述成像光谱数据获取部分、所述辐射传输模型库、所述标准参考板数据库以及所述定标系数查找表模块分别相连，调用所述辐射传输模型库和标准参考数据，结合定标系数查找表，将原始成像光谱数据由灰度值进行绝对定标，得到绝对辐射亮度数据。
其中，所述绝对辐射亮度数据由所述数据处理部分转换为反射率立方体数据。
(三)有益效果
本发明的技术方案所研制的高分辨率地面成像光谱系统可以通过地面测量既能获取测量对象的图像又能获得图像上任意的光谱曲线，这种系统属于针对遥感基础研究领域的科学仪器原始创新，促进我国在探测器技术、成像光谱技术、光谱分光技术、高速采集和存储技术等方面的技术发展。现有的地面光谱测量系统只测量光谱，不成像，而且该系统数据处理采用绝对定标，可以得到测量目标的绝对辐亮度值，能满足定量遥感分析需要，该系统还配有数据监控分析系统，可回放数据进行监视，可对数据进行定标处理等。
附图说明
图1是本发明地面成像光谱测量系统的总体结构示意图；
图2是本发明地面成像光谱测量系统中成像光谱数据获取部分系统框图；
图3是本发明地面成像光谱测量系统数据处理部分模块功能图；
图4是本发明地面成像光谱测量系统地面工作平台示意图；
图5是本发明地面成像光谱测量系统光机子系统示意图；
图6是本发明地面成像光谱测量系统CCD相机传感器的光谱响应范围；
图7是本发明地面成像光谱测量系统操作软件界面示意图。
其中：1、配置部分；2、地面成像光谱辐射计；3、摆镜；4、精密导轨；5、工作台；6、三角架；7、待测目标；8、控制及供电盒；9、笔记本监控器；10、扫描镜；11、物镜；12、狭缝；13、准直透镜；14、PGP分光器件；15、会聚镜；16、面阵CCD。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明地面成像光谱测量系统的总体结构示意图，图2是对图1中的成像光谱数据获取部分进行详细描述的结构框图，图3示出了数据处理部分模块功能图，图4示出了地面成像光谱测量系统地面工作平台示意图。
地面成像光谱测量系统，包括：成像光谱数据获取部分，包括：摆镜装置，获取待测地物的光谱，并对其进行反射；前置光学系统，设置在所述摆镜装置反射光线一侧，包括物镜和狭缝，狭缝置于物镜成像一侧，由物镜接收所述摆镜装置的反射光线并成像；分光系统，设置在所述狭缝后侧，物镜所成的像经狭缝到达分光系统进行分光处理；CCD面阵探测器，设置在所述分光系统后侧，接收所述分光系统的分光并进行感光探测；数据采集存储与处理部分，与所述成像光谱数据获取部分相连，对所述CCD面阵探测器所探测到的数据进行采集存储以及处理；驱动控制部分，与所述成像光谱数据获取部分相连，对所述成像光谱数据获取部分进行驱动和控制；多功能系统平台，包括支架和旋转部分，用于支撑和旋转所述成像光谱数据获取部分的组成部件。
所述成像光谱数据获取部分获取的光谱数据进入所述数据采集存储与处理部分，进行数据的辐射定标，通过调用辐射传输模型库和标准参考数据，结合定标系数查找表，进行运算，将原始成像光谱数据由DN(灰度)值，绝对定标后，得到绝对辐射量度数据，进而可得到反射率立方体数据。
图5为仪器光机部分示意图，地物数据经过摆镜反射到物镜、经过狭缝、准直镜，到达分光系统，光线经分光后，到达会聚镜，光线经会聚镜，投向CCD成像器件，被面阵探测器探测到，并经过控制传输器件，传输到笔记本电脑，保存到笔记本硬盘中。
存储的数据格式为BIP格式，经过笔记本数据处理软件，可以进行数据定标、反射率转换，得到地物影像立方体，并可以提取出任意像素的光谱曲线，进行定量遥感应用。
在本实施例中，地面成像光谱系统采用焦平面探测器依靠自身摆镜的运动对地物扫描成像，利用光学分光器件对地物进行光谱测量。其工作原理为：地物通过一个垂直于轨道方向的狭缝成像，其光线经过准直镜后平行射出，经色散器件在垂直条带方向按光谱色散，经过会聚镜成像在探测器的光敏面上-光敏面水平行像元(平行于狭缝，称空间维)对应地物条带的每个波段影像；垂直列像元(色散方向，称光谱维)对应地物条带的空间采样视场光谱色散的影像。这样，对每个地物条带，面阵探测器都会生成一帧光谱图像数据；再加上摆镜的运动和一定的记录速率，就可以连续记录光谱图像，得到图谱合一的图像立方体。
图像采集与存储地面成像光谱系统设计的主体，本发明为此设计了计算机子系统、光机子系统和电子学子系统。为了数据获取与快速预处理需要，本发明还开发了数据获取与预处理子系统。
计算机子系统包括硬件和软件；硬件是一台便携式笔记本电脑或小型工控机(由于地面成像光谱系统实时存储的数据率高达3.2MB/s，对计算机硬件性能有较高要求)，软件是安装在计算机中用来操作地面成像光谱系统的计算机程序。在程序运行中通过重要关键参数的设定，可实现对地面成像光谱系统在支架上的摆动速率与角度、数据采样频率等指标的控制和可操作性，实现多种针对不同具体要求的工作模式以获取不同空间分辨率、不同视场大小、不同范围、不同时段的高分辨率成像光谱数据。
光机子系统完成成像、色散、光电转换和模数转换等功能，主要由四部分组成，分别是扫描镜、光学镜头、分光器件和CCD相机。扫描镜主要由椭圆反射镜、电机及其机械框架组成。反射镜表面镀反射膜。驱动反射镜的电机采用步进电机。扫描镜在步进电机的驱动下在一定角度范围内来回摆动，实现对地面上一定角度(面积)内目标的扫描成像。光学镜头的作用是把地面目标的像清晰的呈现在分光器件的入射狭缝上。光器件采用“棱镜-光栅-棱镜”组合方式，把入射狭缝上的光谱在垂直于狭缝方向上分开，并会聚在CCD相机的像面上。CCD相机负责拍摄地物的光谱图像，转化为电信号后通过UBS接口传给计算机。相机所采用的CCD传感器分辨率为1392×1040，像元合并以后为464×344，其中空间维是464元，光谱维是344元，由此实现了在可见光-近红外波段范围内超过200个波段、优于5nm光谱分辨率的高分辨率光谱成像。
电子学子系统主要包括电源和电机控制电路。电源采用摄像机用大容量锂电池，主要为CCD相机供电。电机控制电路主要负责接收计算机的控制指令以驱动电机的运转，控制电路通过USB接口和计算机通讯，并通过USB口从计算机取电。
数据获取与预处理子系统一方面是实现对获取数据的有效转移、存储和备份，并且在获取一定时段的扫描数据后，能够进行快速回放，以便检验数据的质量和效果。另一方面是实现数据批量规格化处理和格式转换；可根据当地当时的光照条件和设备定标参数，对数据进行辐射预处理；可根据成像模式和硬件的几何形态、几何性能，对数据进行几何预处理；可对图像进行分割、截取并生成标准格式的图像数据；能实现高精度的波段配准；具有通用的外部接口和友好的人机交互界面。
本发明设计了坚固耐用、拆卸简单、结构紧凑、移动灵活、架设方便的地面测量工作平台。在野外对典型地物进行光谱测量时，地面成像光谱系统的探头及摆镜安装在特制导轨或支架的一端，该导轨可以绕支撑三脚架旋转。
本发明将计算机子系统中的软件程序和数据获取与快速预处理子系统中的数据获取部分融合在一起，设计了操作简单、界面友好、功能齐全的地面成像光谱系统操作软件。
本发明对地面成像光谱系统的重要光学参数：光谱范围和分辨率，进行了实验室定标。
地面成像光谱系统的光谱范围取决于分光器件和CCD相机的光谱响应范围。分光器件给出的光谱响应范围是430nm-900nm；而CCD相机传感器的光谱响应在400nm-1000nm之间，由此得出本系统的光谱范围主要由分光器件的光谱响应范围决定。在实验室利用单色仪对分光器件进行了波长定标，定标结果表明在420nm-860nm范围内该器件能很好的响应单色仪发出的光。
地面成像光谱系统的光谱分辨率取决于分光器件的入射狭缝宽度和CCD相机传感器的光敏元尺寸。本系统中分光器件的入射狭缝宽度为60μm，而CCD相机传感器的光敏元在3×3合并后约是20μm，由于分光器件采用近似的1∶1成像机制，所以本系统的光谱分辨率主要由入射狭缝宽度决定。CCD相机的传感器分辨率为1392×1040，作3×3像元合并以后变为464×344，其中空间维是464元，光谱维是344元，这就意味着系统具有344个光谱通道。在实验室利用单色仪对系统进行了波长定标，定标结果给出了不同波长对应的光谱通道带宽，见表1所示。
表1
| 波长(nm) | 420-470 | 475-625 | 630-715 | 720-820 | 825-860 |
| 光谱通道带宽(nm) | 7 | 4 | 5 | 6 | 7 |
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种地面成像光谱测量系统，其特征在于，包括：
成像光谱数据获取部分，包括：摆镜装置，获取待测地物的光谱，并对其进行反射；前置光学系统，设置在所述摆镜装置反射光线一侧，包括物镜和狭缝，狭缝置于物镜成像一侧，由物镜接收所述摆镜装置的反射光线并成像；分光系统，设置在所述狭缝后侧，物镜所成的像经狭缝到达分光系统进行分光处理；CCD面阵探测器，设置在所述分光系统后侧，接收所述分光系统的分光并进行感光探测；
数据采集存储与处理部分，与所述成像光谱数据获取部分相连，对所述CCD面阵探测器所探测到的数据进行采集存储以及处理；
驱动控制部分，与所述成像光谱数据获取部分相连，对所述成像光谱数据获取部分进行驱动和控制；
多功能系统平台，包括支架和旋转部分，用于支撑和旋转所述成像光谱数据获取部分的组成部件。
2.如权利要求1所述的地面成像光谱测量系统，其特征在于，所述摆镜装置包括扫描镜，所述扫描镜包括反射镜及其机械框架，所述反射镜表面镀有反射膜。
3.如权利要求2所述的地面成像光谱测量系统，其特征在于，所述反射镜连接有步进电机，通过所述步进电机的驱动使所述摆镜装置往复运动实现对待测地物的运动扫描。
4.如权利要求1所述的地面成像光谱测量系统，其特征在于，所述狭缝与分光系统之间还设置有准直透镜，将透过狭缝的发散光转换为平行光。
5.如权利要求1所述的地面成像光谱测量系统，其特征在于，所述分光系统采用棱镜-光栅-棱镜的组合方式，对入射光谱分光。
6.如权利要求1所述的地面成像光谱测量系统，其特征在于，所述分光系统与所述CCD面阵探测器之间还设置有会聚透镜，将透过所述分光系统发出的光会聚到所述CCD面阵探测器上。
7.如权利要求1所述的地面成像光谱测量系统，其特征在于，所述多功能系统平台设置为360°旋转。
8.如权利要求1所述的地面成像光谱测量系统，其特征在于，所述数据采集存储与处理部分包括数据处理部分，所述数据处理部分包括辐射传输模型库，其中包含辐射传输模型；标准参考板数据库，其中包含标准参考数据；定标系数查找表模块，用于查找定标系数；成像光谱数据定标单元，与所述成像光谱数据获取部分、所述辐射传输模型库、所述标准参考板数据库以及所述定标系数查找表模块分别相连，调用所述辐射传输模型库和标准参考数据，结合定标系数查找表，将原始成像光谱数据由灰度值进行绝对定标，得到绝对辐射亮度数据。
9.如权利要求8所述的地面成像光谱测量系统，其特征在于，所述绝对辐射亮度数据由所述数据处理部分转换为反射率立方体数据。
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