CN102654421A - 一种高空间、高光谱分辨率的高性能成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高空间、高光谱分辨率的高性能成像光谱仪，涉及遥感成像技术，包括光谱仪、运动平台和载物台、定标器件、辅助光学器件、平台控制箱、控制计算机，控制计算机内预先拷入相应软件。本发明的光谱仪，技术指标可达到空间分辨率0.5mm，光谱分辨率3-5nm、光谱范围涵盖可见光-短波红外区域(0.4-2.5um)、主要光谱区域信噪比达3000以上、可进行精确的辐射标定。

Description

一种高空间、高光谱分辨率的高性能成像光谱仪

技术领域

本发明涉及遥感成像技术领域，是一种高空间、高光谱分辨率的高性能成像光谱仪。

背景技术

随着国民经济和遥感技术的发展，高光谱测量及成像技术在植被、地质、环境、军事等领域逐渐得到了应用和发展。目前地面光谱仪、航空航天高光谱成像已经得到了广泛应用。

地面光谱仪能够获取光谱，但不具备成像能力，因而难以把握目标本质。但是具有操作简便、高信噪比、容易进行定标等优点。

星载和机载高光谱成像仪借助于载体的飞行实现对面目标成像，但同时具有低空间分辨率(一般是米级甚至10米级)、低光谱分辨率(大于10纳米)等缺点，这大大限制了对地物的精细研究。同时航空、航天高光谱成像容易受到大气及环境的影响，而且不便于同步定标，给研究地物也带来了一定的影响。

迫切地需要一种新的高性能的地面高光谱成像仪，能够避免以上不足，结合两者优势。目前国际上地面高光谱成像仪商品化的还不多见，主要还处于研究和试验阶段。

发明内容

本发明的目的是公开一种高空间、高光谱分辨率的高性能成像光谱仪，以解决现有技术存在的问题。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种高空间、高光谱分辨率的高性能成像光谱仪，包括光谱仪、运动平台和载物台、定标器件、辅助光学器件、平台控制箱、控制计算机，控制计算机内预先拷入相应软件；其中，光谱仪主机、平台控制箱和主控计算机通过串口、USB接口、蓝牙或无线局域网连接；平台控制箱和运动平台上的步进电机驱动器通过同轴电缆电性相连；运动平台上以机械方式固定有载物台，载物台上固接有光谱仪探头、光源、定标器件、及辅助光学器件。

所述的高性能成像光谱仪，其所述光谱仪主机、平台控制箱和主控计算机的连接方式，根据选用的光谱仪产品型号和使用环境而定；辅助光学器件，为视场镜，根据成像需求使用；定标器件，为聚四氟乙烯材料制成的漫反射参考板。

所述的高性能成像光谱仪，其所述主控计算机预先拷入的软件，支持Windows、Linux的操作系统平台，支持C、C++、IDL的多种语言开发。

所述的高性能成像光谱仪，其操作包括以下步骤：

A)根据成像要求，通过控制计算机，设计待发送的平台运动指令，并完成平台控制箱的检测和初始化；

B)控制计算机向传感器发送设置和优化指令，完成传感器及主机的初始化；

C)控制计算机向平台控制箱发送运动指令，步进电机带动传感器或探头运动；

D)当运动到成像位置时，控制计算机向传感器主机发送成像指令，并由传感器主机完成数据保存；

E)重复C)步和D)步，完成对线目标或面目标的成像。

所述的高性能成像光谱仪，其所述操作步骤的C)步是：

(1)控制计算机通过控制软件向平台控制箱发送检测和运动指令；

(2)平台控制箱连接控制计算机和多自由度运动平台，通过接收手动控制面板或控制计算机传来的运动指令，完成对多自由度运动平台的运动控制；

(3)多自由度运动平台通过步进电机带动传感器做六个自由度的运动：即上下、左右、前后方向的平动，及侧滚、偏航、俯仰三个方向的旋转，以实现传感器或探头的位置、扫描和姿态变化，从而实现对点、线、面三类目标的成像。

所述的高性能成像光谱仪，其所述操作步骤的C)(3)步中，对点、线、面三类目标的成像采用手动控制，半自动控制、或全自动控制。

所述的高性能成像光谱仪，其所述操作步骤的D)步是：

(1)控制计算机通过控制软件向传感器发送设置和成像指令，完成给定的成像任务，并保存数据；

(2)在传感器或探头的物镜前方设有辅助光学系统，包括视场镜和遮光罩，用来限制视场，获得所需的物点尺寸，并改善图像质量；

(3)使用定标器件进行辐射定标。

所述的高性能成像光谱仪，其所述操作步骤的D)(3)步中，定标过程插入到成像的任何时刻，保证成像的精确性。

所述的高性能成像光谱仪，其操作步骤还包括：根据需求，在成像过程中使用定标器件漫反射参考板对光谱仪进行辐射标定。

本发明的一种高空间、高光谱分辨率的高性能成像光谱仪，是一套成本低廉的、地基的、空间分辨率达亚毫米级(＜0.5mm)、光谱采样间隔达纳米级(＜2nm)、光谱范围覆盖可见光-短波红外区域(0.4-2.5um)、主要光谱区域信噪比达3000以上、可精确作辐射标定的高性能成像光谱仪(High Spatial resolution HyperSpectral Imaging Spectrometer，HS2IS)，从而针对目标来获得高质量的精细高光谱图像，为高光谱应用基础服务。

附图说明

图1为本发明的一种高空间、高光谱分辨率的高性能成像光谱仪装置示意图。

其中：1.光谱仪或其他光谱传感器；  2.辅助光学系统；

      3.载物台；                  4.运动平台；

      5.平台控制箱；              6.光源；

      7.光谱仪主机；              8.主控计算机；

      9.定标参照；                10.成像目标。

具体实施方式

本发明的一种高空间、高光谱分辨率的高性能成像光谱仪，由一套或多台套光谱传感器、一个运动平台和载物台、辅助光学器件、控制器和控制软件、定标器件等组成，各部件模块可自由组合。在控制软件的管理下，该装置可以在设定的成像过程(模式)下，利用光谱传感器来获得空间上一个点光谱信息或辐亮度信息，然后利用运动平台带动光谱仪传感器运动来成像目标空间上其他点的信息，从而在可控制的条件下获得高空间分辨率高信噪比的高光谱图像。该装置可以通过多自由度运动平台不同的运动方式仿真不同的成像过程和成像方式，可以通过对目标结构的控制仿真目标的结构效应和角度效应。

本发明的一种高空间、高光谱分辨率的高性能成像光谱仪，硬件装置由以下部件组成：

1.光谱仪或其他光谱传感器：用以获取光谱数据或辐亮度数据，可依照光谱分辨率和光谱范围的需求自由选择各种商业化光谱仪(如美国ASD公司的

系列、美国Ocean Optics公司的USB2000系列)；

2.辅助光学设备：包括视场镜和遮光罩等，用以限制视场来获得高分辨率，并改善像质；

3.运动平台：通过平台配备的步进电机提供X、Y两个方向的步进运动来进行成像并控制空间分辨率，并利用Z方向的移动来准焦和进行视场控制；

4.载物台：提供侧滚-俯仰-偏航(roll-pitch-yaw)可控的3个角度，其中侧滚能高精度自动控制并进行空间某一方向上的扫描，俯仰和偏航可调节；

5.平台控制箱：可以接收其手动控制面板或控制计算机传来的运动指令，控制运动平台的步进电机，从而控制运动平台的运动；

6.光源：分别于运动平台上和运动平台外安装2个光源，可组合使用构成照明系统；

7.主控计算机：配备与平台控制箱、光谱仪主机连接的各种接口，运行控制与数据采集软件及数据预处理软件，负责对整个系统进行指令运作、状态监控和数据采集；

8.定标参照：聚四氟乙烯材料制成的漫反射参考板，用以进行相对辐射定标，可以按照定标精度要求自由选择商业化产品(如美国Labsphere公司的

系列)；

9.其他定标附件：用以对成像过程中的器件或辐射情况进行标定或控制。

本发明所述的高空间、高光谱分辨率的高性能成像光谱仪，各部件之间的连接关系如下：

1.光谱仪主机和主控计算机通过串口、USB接口、蓝牙或无线局域网等方式连接(具体连接方式可视选用的光谱仪产品型号和使用环境而定)；

2.平台控制箱和主控计算机通过串口电性相连，根据选用的平台控制箱型号的不同也可使用USB接口或蓝牙和无线局域网等无线连接方式；

3.平台控制箱和运动平台上的步进电机驱动器通过同轴电缆电性相连；

4.运动平台上以机械固定方式安装了载物台，用于固定光谱仪探头、光源以及视场镜等辅助光学设备。

本发明还设计了下列软件：

1.控制与数据采集软件：运行在主控计算机上，主要功能是通过和光谱仪主机的通信对光谱仪的状态进行监控、设置光谱仪运行参数、采集光谱仪得到的数据并进行数据存储，通过和平台控制箱的通信监测运动平台的状态、对运动平台进行运动控制；

2.数据预处理软件：将采集的图像数据进行基本预处理。

使用上述的硬件组成部件和定义的部件间连接关系搭建本发明所述的一种高空间、高光谱分辨率的高性能成像光谱仪的流程如下：

1.按照所述部件间连接关系1完成光谱仪主机和主控计算机的连接；

2.按照所述部件间连接关系2完成平台控制箱和主控计算机的连接；

3.按照所述部件间连接关系3完成平台控制箱和运动平台步进电机的连接；

4.在运动平台上固定光谱仪探头和辅助光学设备；

5.检查光谱仪主机、主控计算机、平台控制箱之间的连接，连接它们各自的电源，并使它们处于正常工作状态；

6.检查漫反射参考板和其他定标附件，置于一侧备用；

7.打开主控计算机上预先拷入的控制软件，测试通过控制软件对运动平台和光谱仪主机进行控制的有效性，等待进行成像操作。

使用本发明的一种高空间、高光谱分辨率的高性能成像光谱仪，进行成像的基本流程如下：

(1)根据成像目标点空间位置，通过主控计算机的控制软件，设计待发送的平台运动指令，并完成平台控制箱的检测和初始化；

(2)主控计算机的控制软件向光谱仪主机发送运行状态设置和参数优化等指令，完成光谱仪传感器及其主机的初始化；

(3)主控计算机的控制软件向平台控制箱发送运动指令，平台控制箱生成控制脉冲信号发送到步进电机驱动器使步进电机带动运动平台运动，从而使光谱仪的传感器或探头运动；

(4)当光谱仪的传感器或探头到达预定成像位置时，控制计算机的控制软件接收到平台控制箱的反馈信息，向光谱仪主机发送成像指令，并接收光谱仪主机传回的数据，完成数据存储；

(5)重复(3)和(4)，实现对线目标或面目标的成像；

(6)根据需求，在成像过程中使用定标器件漫反射参考板对光谱仪进行辐射标定。

整体装置达到或优于以下主要光谱成像指标：

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种高空间、高光谱分辨率的高性能成像光谱仪，包括光谱仪、运动平台和载物台、定标器件、辅助光学器件、平台控制箱、控制计算机，控制计算机内预先拷入相应软件；其特征在于，其中，光谱仪主机、平台控制箱和主控计算机通过串口、USB接口、蓝牙或无线局域网连接；平台控制箱和运动平台上的步进电机驱动器通过同轴电缆电性相连；运动平台上以机械方式固定有载物台，载物台上固接有光谱仪探头、光源、定标器件、及辅助光学器件。

2.如权利要求1所述的高性能成像光谱仪，其特征在于，所述光谱仪主机、平台控制箱和主控计算机的连接方式，根据选用的光谱仪产品型号和使用环境而定；辅助光学器件，为视场镜，根据成像需求使用；定标器件，为聚四氟乙烯材料制成的漫反射参考板。

3.如权利要求1所述的高性能成像光谱仪，其特征在于，所述主控计算机预先拷入的软件，支持Windows、Linux的操作系统平台，支持C、C++、IDL的多种语言开发。

4.如权利要求1所述的高性能成像光谱仪，其特征在于，操作包括以下步骤：

A)根据成像要求，通过控制计算机，设计待发送的平台运动指令，并完成平台控制箱的检测和初始化；

B)控制计算机向传感器发送设置和优化指令，完成传感器及主机的初始化；

C)控制计算机向平台控制箱发送运动指令，步进电机带动传感器或探头运动；

D)当运动到成像位置时，控制计算机向传感器主机发送成像指令，并由传感器主机完成数据保存；

E)重复C)步和D)步，完成对线目标或面目标的成像。

5.如权利要求4所述的高性能成像光谱仪，其特征在于，所述操作步骤的C)步是：

(1)控制计算机通过控制软件向平台控制箱发送检测和运动指令；

(2)平台控制箱连接控制计算机和多自由度运动平台，通过接收手动控制面板或控制计算机传来的运动指令，完成对多自由度运动平台的运动控制；

(3)多自由度运动平台通过步进电机带动传感器做六个自由度的运动：即上下、左右、前后方向的平动，及侧滚、偏航、俯仰三个方向的旋转，以实现传感器或探头的位置、扫描和姿态变化，从而实现对点、线、面三类目标的成像。

6.如权利要求4所述的高性能成像光谱仪，其特征在于，所述操作步骤的C)(3)步中，对点、线、面三类目标的成像采用手动控制，半自动控制、或全自动控制。

7.如权利要求4所述的高性能成像光谱仪，其特征在于，所述操作步骤的D)步是：

(1)控制计算机通过控制软件向传感器发送设置和成像指令，完成给定的成像任务，并保存数据；

(2)在传感器或探头的物镜前方设有辅助光学系统，包括视场镜和遮光罩，用来限制视场，获得所需的物点尺寸，并改善图像质量；

(3)使用定标器件进行辐射定标。

8.如权利要求7所述的高性能成像光谱仪，其特征在于，所述操作步骤的D)(3)步中，定标过程插入到成像的任何时刻，保证成像的精确性。

9.如权利要求4所述的高性能成像光谱仪，其特征在于，所述操作步骤，还包括：根据需求，在成像过程中使用定标器件漫反射参考板对光谱仪进行辐射标定。

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