CN102997996B - 短波红外昼夜远距离多光谱成像仪及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短波红外昼夜远距离多光谱成像仪及成像方法，光信号经过短波红外镜头后，由滤光片轮实现分光，之后的探测器组件及电子学部分完成光电转换和图像数据采集，输出图像。激光器根据当前成像波段，输出相应波长的激光进行照明，配合滤光片轮完成多光谱成像。该仪器利用短波红外良好的大气透过特性，进行远距离多光谱观测；辅以人眼不可见的短波红外大功率可调谐激光对相应波段进行照明，实现夜间成像。

Description

短波红外昼夜远距离多光谱成像仪及成像方法

技术领域：

本发明涉及一种多光谱成像仪，具体涉及一种主动式短波红外昼夜远距离多光谱成像仪及成像方法。

背景技术：

短波红外成像仪的工作波段一般在0.9μm~2.5μm，其成像原理与人眼可见光成像相同，都是捕捉目标反射光，因此其成像效果接近目视成像，易于实时监控时的目标辨认。许多地物在短波红外波段有着丰富的光谱特性，所以在该谱段进行多光谱成像，可以有效实现目标识别。

短波红外较可见光波长长，受大气、气溶胶以及微小颗粒的影响相对较小，因此大气透过率较高，观测距离远，并具备一定穿透烟雾的能力。

捕捉目标反射光信号的成像系统白天成像的光源是太阳光，夜间成像依赖夜空辉光以及仪器自身照明。短波红外波段的夜空辉光能量显著高于其他波段，适于夜视。与之匹配的一般照明灯比如红外探照灯、LED等，适合近距离观测，而要发挥短波红外远距离探测的特性，延长夜间观测距离，就需要选择能量大、汇聚性好激光进行照明。且短波红外激光不能为人眼所见，使得仪器有很强的隐蔽性。

现有的短波红外多光谱相机或成像光谱仪等光谱探测设备，都只能利用太阳光实现白天观测，不能用于需要昼夜监控的场合。而目前利用短波红外激光器照明成像的仪器，虽然可以实现简单的夜间成像功能，但普通激光器为单色光照明，探测器响应波段内其他波长的信号只能依赖夜空辉光获得，非常微弱。所以仪器捕捉的是某一特定波长的地物反射信号，信息不丰富，遇到恰好在这一波长反照率低的目标便难以观测。同时，这类仪器不带有分光设备，无法实现多光谱成像，进行有效的目标识别。

发明内容：

本发明提出了一种可以昼夜工作的短波红外远距离多光谱成像仪器。

如附图1所示，系统包括短波红外镜头、滤光片轮、探测器组件、探测器驱动与信息获取电路、滤光片轮驱动电机、主控系统、大功率可调谐激光器、图像存储器、通信接口以及远程计算机。

本仪器的分光元件所述的滤光片轮置于短波红外镜头与探测器组件之间，通过旋转实现不同谱段间的切换，轮上携带4-8个带通滤光片，具体个数由多光谱的应用需求决定，滤光片的通带波段分布在0.9μm~2.5μm之间需要成像的波段，滤光片轮驱动电机采用步进电机或直流电机，它带动滤光片转动，切换波段，电机配以驱动器或驱动电路，并根据需要配置霍尔器件或旋转变压器作为电机定位装置；

所述探测器驱动与信息获取电路包括偏压供给、探测器驱动、模拟信号采集以及A/D转换，探测器驱动时序以及A/D转换后的数据采集由CPLD或FPGA逻辑芯片完成；

所述主控系统是本仪器的主要逻辑控制部分，采用单片机、DSP或FPGA逻辑控制芯片，它的主要职能包括配置探测器工作参数，接收并转发图像数据，控制滤光片轮驱动电机进行转动，配置大功率可调谐激光器工作参数，与通信接口交换命令和数据；

所述大功率可调谐激光器其发光波长在整个成像谱段可调，同时照明光波长应避开大气吸收峰，照明发散角与成像视场角相同；

用于仪器内部图像存储的所述图像存储器为高速大容量RAM；

所述通信接口负责转发远程计算机指令以及仪器状态信息和图像数据，根据需求选择有线或无线接口，通信协议采用RS422；

仪器白天成像时，目标反射太阳光产生光信号；夜间成像时，大功率可调谐激光器发出照明光，经目标反射后，产生目标光信号；光信号进入仪器短波红外镜头，镜头与探测器之间置有滤光片轮，光信号经过轮上某滤光片滤光后，进入探测器完成光电转换，电信号经过信息获取电路以及主控系统后，存于图像存储器，最后图像数据经主控系统及通信接口送入远程计算机。

白天成像时太阳光能量强，信噪比可以保证。而夜晚成像依赖激光照明成像，信号相对较弱。因此大功率可调谐激光器只有具备上述条件才能实现远距离多光谱成像，可以采用Nd:YAG激光器配合OPO实现。假设出射激光单次脉冲能量200mJ，观测波长2.1μm，激光发散角等于视场角，为50mrad，瞬时视场角0.1mrad，目标反照率0.3，量子效率0.7，探测器等效噪声50e-，观测距离5km。经大气特性分析及理论计算，若不考虑夜空辉光，则单幅图像信噪比约为36左右。实际上，夜空辉光虽然与激光照明相比十分微弱，但短波红外波段的夜空辉光能量远大于其他波段，因此实际信噪比会更高。

系统白天成像方法步骤如下：

1）、远程计算机下达指令，主控系统根据指令配置探测器工作参数；

2）、探测器组件完成初始配置，如需制冷则先完成制冷；

3）、主控系统控制滤光片轮驱动电机，将滤光片轮复位，此时起始波段对应的滤光片位于镜头与探测器之间；

4）、主控系统下达拍摄命令，探测器拍摄一帧图像，主控系统从探测器驱动与信息获取电路接收起始波段的图像信号，存于图像存储器中；

5）、根据下一个成像波段更改探测器组件配置参数；

6）、主控系统控制滤光片轮驱动电机，将滤光片轮切换到下一个波段；

7）、主控系统下达拍摄命令，探测器拍摄一帧图像，主控系统从探测器驱动与信息获取电路接收该波段的图像信号，存于图像存储器中；

8）、重复步骤5）、步骤6）和步骤7）三步，直至所有波段成像完毕；

9）、主控系统通过通信接口向远程计算机发送状态信息及图像数据；

系统夜间成像方法步骤如下：

1)、执行白天成像方法步骤1)至步骤3）；

2）、主控系统通过激光器控制接口，配置大功率可调谐激光器的发光波段为观测起始波段；

3）、主控系统下达拍摄命令，探测器开始积分；

4）、探测器开始积分后，主控系统通过激光器控制接口，控制大功率可调谐激光器发出脉冲激光；

5）、主控系统从探测器驱动与信息获取电路接收起始波段的图像信号，存于图像存储器中；

6）、根据下一个成像波段更改探测器组件配置参数；

7）、主控系统控制滤光片轮驱动电机，将滤光片轮切换到下一个波段；

8）、主控系统通过激光器控制接口，配置大功率可调谐激光器的发光波段至下一个波段；

9）、主控系统下达拍摄命令，探测器开始积分；

10）、探测器开始积分后，主控系统通过激光器控制接口，控制大功率可调谐激光器发出脉冲激光；

11）、主控系统从探测器驱动与信息获取电路接收该波段的图像信号，存于图像存储器中；

12）、重复步骤6）至步骤11），直至所有波段成像完毕；

13）、主控系统通过通信接口向远程计算机发送状态信息及图像数据。

本发明适于稳定平台的长期昼夜连续区域监控，而且夜间短波红外激光不能被人眼所见，因此仪器有一定隐蔽性。采用大功率激光进行照明，可以充分发挥短波红外波段的大气透过特性。短波红外光大气透过率高，无论是照明光还是信号光的衰减都相对较小，因此夜间可以实现很远的观测距离。如加装激光测距模块还可以实现测距成像。

本发明适于置于高塔、楼顶等高处，配合二维云台或指向镜进行多方位监控，也适于搭载飞艇进行区域监视。昼夜多光谱观测可以获得监控区域目标的光谱信息，及时进行准确识别。

附图说明：

附图1为本发明的总框图。

附图2为本发明所列实施例的结构示意图（俯视图）。

具体实施方式：

根据发明内容，本实施例构建了一台短波红外昼夜远距离多光谱成像仪，其结构示意图如附图2所示。按照本发明附图1展示的系统框图，仪器包括：

短波红外镜头：根据观测距离和分辨率确定镜头口径和焦距等参数。本实施例采用意大利OPTEC公司的OB-SWIR300/3.5，焦距300mm，F数3.5。

滤光片轮：根据光谱观测需求选择波段数，轮周滤光片孔位根据滤光片大小确定。本实施例采用SPECTROGON公司的短波红外滤光片，在0.9μm~2.5μm选用6个波段，所以滤光片轮应有6个滤光片孔位。

探测器组件：短波红外探测器选用高灵敏度面阵探测器，提高夜间观测性能。本实施例选用法国Sofradir公司的500×256MCT探测器。

探测器驱动与信息获取电路：包括偏压供给、探测器驱动、模拟信号采集以及A/D转换。逻辑芯片采用Xilinx公司的Spartan6-FTG256-LX16，负责接收主控系统的指令，以及向主控系统转发A/D芯片传来的数据。

滤光片轮驱动电机：根据滤光片轮所需转动惯量以及控制方式决定，本实施例采用北京四宏公司的42BYG 1.8度两相步进电机。定位方式采用霍尔开关定位。

主控系统：主控系统宜采用单片机、DSP、FPGA等高速逻辑芯片，本实施例采用Xilinx公司的Vertex2 Pro-XC2VP40。主控系统从通信接口获得指令后，向探测器驱动与信息获取系统转发相应命令，具体采用LVDS电平和RS422协议。主控系统接收霍尔定位信号，给步进电机驱动电路供给时序，通过驱动电路指挥电机运转。主控系统使用下文所述激光器自带接口，配置大功率可调谐激光器，控制其进行工作。主控系统通过LVDS接口接收探测器驱动与信息获取模块发来的数据信号，将其存储与图像存储器中。

大功率可调谐激光器：本实施例采用Newport公司的Quanta-Ray ProNd:YAG激光器作为泵浦光，同公司的versaScan OPO进行光调谐放大，该组合可以实现410nm-2550nm范围内可调谐激光输出，发散角4-10mrad，单脉冲能量195mJ，配以夜空辉光可满足远距离多光谱成像需求。安装时，激光器出射轴要与成像光轴校准平行。本例中为使结构紧凑，泵浦光作了转折；另外因为OPO出射的发散角小于视场角，因此在OPO输出端加装一个扩束镜，使得出射光发散角等于视场角50mrad。

图像存储器：存储器要能存储一轮成像图像，速率要满足探测器成像速率。本实施例采用64Mbit高速RAM。

通信接口：通信接口包括命令发送和数据传输。可以分为两个独立硬件接口，也可以共用。本实施例通信接口和数传接口硬件上独立，分别使用一个RS422接口与远程计算机连接。软件上均采用RS422协议，但数传信道的波特率较高，以满足大量数据传输的要求。如果仪器用于飞艇，或山巅等场合，需要加装无线通信模块进行无限通信。

远程计算机：该计算机为一般高性能PC机，其中编写安装相关通信软件。计算机前加装RS422转串口的转接板。本实施例使用VC6.0分别编写命令发送软件和数据接收软件，实现串口通信和串口数据获取。

本实施例还包括电源管理模块，输入电源为直流28V，通过DC-DC分供各个部分，由主控系统操作继电器，控制各个部分的通断电。

系统在白天、夜晚成像时，分别按照发明内容中的工作流程完成多光谱成像。

Claims (2)

1.一种短波红外昼夜远距离多光谱成像仪，包括短波红外镜头、滤光片轮、探测器组件、探测器驱动与信息获取电路、滤光片轮驱动电机、主控系统、大功率可调谐激光器、图像存储器、通信接口以及远程计算机，其特征在于：

本仪器的分光元件所述的滤光片轮置于短波红外镜头与探测器组件之间，通过旋转实现不同谱段间的切换，轮上携带4-8个带通滤光片，具体个数由多光谱成像仪的应用需求决定，滤光片的通带波段分布在0.9μm～2.5μm之间需要成像的波段，滤光片轮驱动电机采用步进电机或直流电机，它带动滤光片转动，切换波段，电机配以驱动器或驱动电路，并根据需要配置霍尔器件或旋转变压器作为电机定位装置；

所述探测器驱动与信息获取电路包括偏压供给、探测器驱动、模拟信号采集以及A/D转换，探测器驱动时序以及A/D转换后的数据采集由CPLD或FPGA逻辑芯片完成；

所述主控系统是本仪器的主要逻辑控制部分，采用单片机、DSP或FPGA逻辑控制芯片，它的主要职能包括配置探测器工作参数，接收并转发图像数据，控制滤光片轮驱动电机进行转动，配置大功率可调谐激光器工作参数，与通信接口交换命令和数据；

所述大功率可调谐激光器其照明光波长在整个成像谱段可调，同时照明光波长应避开大气吸收峰，照明发散角与成像视场角相同；

用于仪器内部图像存储的所述图像存储器为高速大容量RAM；

所述通信接口负责转发远程计算机指令以及仪器状态信息和图像数据，根据需求选择有线或无线接口，通信协议采用RS422；

仪器白天成像时，目标反射太阳光产生光信号；夜间成像时，大功率可调谐激光器发出照明光，经目标反射后，产生目标光信号；光信号进入仪器短波红外镜头，镜头与探测器之间置有滤光片轮，光信号经过轮上某滤光片滤光后，进入探测器完成光电转换，电信号经过信息获取电路以及主控系统后，存于图像存储器，最后图像数据经主控系统及通信接口送入远程计算机。

2.一种基于权利要求1所述短波红外昼夜远距离多光谱成像仪的成像方法，其特征在于：它有白天成像及夜间成像两种成像方法，其中，

白天成像方法步骤如下：

1)、远程计算机下达指令，主控系统根据指令配置探测器工作参数；

2)、探测器组件完成初始配置，如需制冷则先完成制冷；

3)、主控系统控制滤光片轮驱动电机，将滤光片轮复位，此时起始波段对应的滤光片位于镜头与探测器之间；

4)、主控系统下达拍摄命令，探测器拍摄一帧图像，主控系统从探测器驱动与信息获取电路接收起始波段的图像信号，存于图像存储器中；

5)、根据下一个成像波段更改探测器组件配置参数；

6)、主控系统控制滤光片轮驱动电机，将滤光片轮切换到下一个波段；

7)、主控系统下达拍摄命令，探测器拍摄一帧图像，主控系统从探测器驱动与信息获取电路接收该波段的图像信号，存于图像存储器中；

8)、重复步骤5)、步骤6)和步骤7)三步，直至所有波段成像完毕；

9)、主控系统通过通信接口向远程计算机发送状态信息及图像数据；

夜间成像方法步骤如下：

1)、执行白天成像方法步骤1)至步骤3)；

2)、主控系统通过激光器控制接口，配置大功率可调谐激光器的发光波段为观测起始波段；

3)、主控系统下达拍摄命令，探测器开始积分；

4)、探测器开始积分后，主控系统通过激光器控制接口，控制大功率可调谐激光器发出脉冲激光；

5)、主控系统从探测器驱动与信息获取电路接收起始波段的图像信号，存于图像存储器中；

6)、根据下一个成像波段更改探测器组件配置参数；

7)、主控系统控制滤光片轮驱动电机，将滤光片轮切换到下一个波段；

8)、主控系统通过激光器控制接口，配置大功率可调谐激光器的发光波段至下一个波段；

9)、主控系统下达拍摄命令，探测器开始积分；

10)、探测器开始积分后，主控系统通过激光器控制接口，控制大功率可调谐激光器发出脉冲激光；

11)、主控系统从探测器驱动与信息获取电路接收该波段的图像信号，存于图像存储器中；

12)、重复步骤6)至步骤11)，直至所有波段成像完毕；

13)、主控系统通过通信接口向远程计算机发送状态信息及图像数据。