CN103630118B - 一种立体高光谱成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种立体高光谱成像装置包括平台，设置在平台上的前视光学成像单元、后视光学成像单元以及正视光谱成像单元，前视光学成像单元与正视光谱成像单元之间的夹角以及后视光学成像单元与正视光谱成像单元之间的夹角符合预设要求：前视光学成像单元包括依次设置的第一前置镜以及第一探测器；后视光学成像单元包括依次设置的第二前置镜以及第二探测器；正视光谱成像单元包括依次设置的第三前置镜、分光器件、汇聚镜以及第三探测器。三个视角的成像数据经重构处理，可以得到地物的空间立体图像，而直视成像采用光谱成像，由此同时获取了地物的光谱图像信息，既能直观反映被测目标的立体几何形貌，又能提供目标的理化属性。

Description

一种立体高光谱成像装置

技术领域

本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种立体高光谱成像装置。

背景技术

随着人们对于世界间事物认识和了解的不断深入，仅仅从二维的图像或者图像序列中对观测信息进行识别、推理和判断已经越来越无法满足目前工、农业各方面需求。由此CAD（ComputerAidedDesign，计算机辅助设计）/CAM（ComputerAidedManufacture，计算机辅助制造）以及各种三维测量方法不断提出并得到发展，其中较有应用前景、目前研究较多的三维成像技术是基于立体视觉原理的三线阵光学立体成像方法和主动式激光测距立体成像方法（也称为激光雷达立体成像方法）。

其中，激光雷达立体成像方法，受限于激光雷达探测硬件的限制，所获得的对地立体探测数据及其处理方面不是很完善，同时，当采用分时融合技术时，对激光雷达的各种参数精度要求较高，配准精度难以保证，当采用共孔径方式时，系统过于复杂，测高点采样受采样速率限制不够密集，高度维精度受到限制。

另外，三线阵光学立体成像方法由于需要三个探测器非共轴同时对目标成像，从而对平台要求较高而存在相应的缺陷。如图1所示为典型的三镜头三线阵摄影机结构图，通过一个稳定平台将三个光学参数符合对地面空间分辨率和成像角度比配一致的相机整合装配到一起，三个相机的倾斜角以及对地面空间分辨率都是基于计算机双目视觉立体成像原理而制定。三个相机的成像探测器均为三线阵型CCD（ChargeCoupledDevice，电荷耦合器件）探测器，导致其成像也将为长条型画幅，后期还需通过计算机拼接和相机系统推扫才能获取到大区域的立体成像图。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种立体高光谱成像装置，改善立体图像和目标光谱的识别效果。

本发明实施例的目的是通过以下技术方案实现的：

一种立体高光谱成像装置，包括平台，设置在所述平台上的前视光学成像单元、后视光学成像单元以及正视光谱成像单元，所述前视光学成像单元与所述正视光谱成像单元之间的夹角以及所述后视光学成像单元与所述正视光谱成像单元之间的夹角符合预设要求：

所述前视光学成像单元包括依次设置的第一前置镜以及第一探测器，成像目标通过第一前置镜与第一探测器满足物像关系；

所述后视光学成像单元包括依次设置的第二前置镜以及第二探测器，成像目标通过第二前置镜与第二探测器满足物像关系；

所述正视光谱成像单元包括依次设置的第三前置镜、分光器件、汇聚镜以及第三探测器，成像目标通过第三前置镜131、分光器件132、汇聚镜133与第三探测器134满足物像关系。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，在光谱直视成像的基础上，增加两个视角的成像（前视和后视），三个视角的成像数据经重构处理，可以得到地物的空间立体图像，而直视成像采用光谱成像，由此同时获取了地物的光谱图像信息，由此可以同时获取地物的四维图谱信息（三维立体图像和一维光谱信息）。既能直观反映被测目标的立体几何形貌，又能提供目标的理化属性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为典型的三镜头三线阵摄影机结构图。

图2为本发明实施例提供的立体高光谱成像装置示意图。

图3为本发明实施例提供的立体高光谱成像装置三个相机得到三个不同地面点的图像示意图。

图4为本发明实施例提供的立体高光谱成像装置在三个不同时刻，三个相机（后、正、前）依次对同一地面点成像示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例的立体高光谱成像装置，通过共前置镜系统和稳定平台系统，彻底改变目前常见各种传统成像光谱仪的二维图像的局限，克服、改变传统三线阵立体成像的稳定度低、能量低的难点和局限，并且成像提供立体高分辨率图像和景物光谱信息，形成四个维度的景物探测矩阵，可增加对目标空间分布状态理解的反映判断，在信息工业、生物医学、食品快速检测等民用领域所需的光谱检测和物质、目标检测识别等需求上提供一个全新的探测手段和技术。

如图1所所示，本发明实施例提供一种立体高光谱成像装置，包括平台，设置在平台上的前视光学成像单元11、后视光学成像单元12以及正视光谱成像单元13，前视光学成像单元11与正视光谱成像单元13之间的夹角以及后视光学成像单元12与正视光谱成像单元13之间的夹角符合预设要求：

前视光学成像单元11包括依次设置的第一前置镜111以及第一探测器112，成像目标通过第一前置镜111与第一探测器112满足物像关系；

后视光学成像单元12包括依次设置的第二前置镜121以及第二探测器122，成像目标通过第二前置镜121与第二探测器122满足物像关系；

正视光谱成像单元13包括依次设置的第三前置镜131、分光器件132、汇聚镜133以及第三探测器134，成像目标通过第三前置镜131、分光器件132、汇聚镜133与第三探测器134满足物像关系。

其中，本领域技术人员可以容易得知成像目标位于图的左侧，图中未示意。

本领域技术人员可以理解前视光学成像单元11包含的各器件需要保持同一光轴，也就是保证同视场各个角度光线通过其后续各器件成像，后视光学成像单元12包含的各器件需要保持同一光轴，也就是保证同视场各个角度光线通过其后续各器件成像，正视光谱成像单元13包含的各器件需要保持同一光轴，也就是保证同视场各个角度光线通过其后续各器件成像。因此最终得到同一地域景物的三个像，包含两个二维图像，一个三维光谱图像。其中三个不同光轴可以有部分光轴合并为一个光轴，以便实现更紧凑光路和缩减系统体积。

光通过第一前置镜111汇聚到第一探测器112上成像。

光通过第二前置镜121汇聚到第二探测器122上成像。

光通过第三前置镜131后发射平行光到分光器件132，再通过分光器件132分光后发射出平行光，最后通过汇聚镜133汇聚到第三探测器134上成像。

本发明实施例的立体高光谱成像装置，采用空间立体成像技术与光谱成像技术融合，在传统光谱直视成像的基础上，增加两个视角的成像（前视和后视），三个视角的成像数据经重构处理，可以得到地物的空间立体图像，而直视成像采用光谱成像，由此同时获取了地物的光谱图像信息，由此可以同时获取地物的四维图谱信息（三维立体图像和一维光谱信息）。既能直观反映被测目标的立体几何形貌，又能提供目标的理化属性。

而且，本发明实施例的立体高光谱成像装置，加工装调简单、稳定性高、能量利用率高、成像质量好、结构紧凑、体积小，生产成本低，适用于生物医学、食品快速检测、目标探测识别等民用领域。

本发明实施例的立体高光谱成像装置，第一前置镜111可以为球面或非球面的前置镜，第二前置镜121可以为球面或非球面的前置镜，第三前置镜131可以为球面或非球面的前置镜。

分光器件132可以为棱镜或者光栅。

汇聚镜133可以为球面或非球面的汇聚镜。

第一探测器112为线阵或面阵CCD（ChargeCoupledDevice，电荷耦合器件）探测器，或者线阵或面阵CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体）探测器，第二探测器122为线阵或面阵CCD探测器，或者线阵或面阵CMOS探测器，第三探测器134为线阵或面阵CCD探测器，或者线阵或面阵CMOS探测器。

前视光学成像单元11与正视光谱成像单元13之间的夹角预设要求为小于60度；

上述夹角可以理解为前视光学成像单元包含的器件的中心轴与正视光谱成像单元包含的器件的中心轴之间的夹角。

后视光学成像单元12与正视光谱成像单元13之间的夹角预设要求为小于60度。

上述夹角可以理解为后视光学成像单元包含的器件的中心轴与正视光谱成像单元包含的器件的中心轴之间的夹角。

本发明实施例的立体高光谱成像装置，前视光学成像单元、后视光学成像单元以及正视光谱成像单元共用一个前置光路，然后通过分离光路分到各自的中继光路处，正视光谱成像单元额外有分光器件（光栅或者棱镜）用以分离光波段，然后前视光学成像单元、后视光学成像单元以及正视光谱成像单元各自成像到各自探测器上。然后，通过对成像数据的后续计算机处理，得到四个维度（三个空间维度，一个光谱维度）的探测数据矩阵。

本领域技术人员可以理解，本发明披露的技术范围内，可以改变前视光学成像单元、后视光学成像单元以及正视光谱成像单元的位置和数量，改变其前置光路共用，或者中继光路共用，或者探测器共用，例如，前置光路是可以后边再加反射镜，或者半反半透镜、球面反射镜等器件进行分光的，然后再传输光场到中继光路上，或者到探测器上，等等，实现共用前置光路，中继光路共用以及探测器共用可以参考因此上述说明，在此不作赘述；

可以改变前置镜，分光器件、汇聚镜的数量以及相关参数如尺寸大小、厚度和所使用的光学材料等；

可以改变探测器的类型和数量以及相关参数如尺寸大小、厚度和所使用的半导体材料等。

本发明实施例的立体高光谱成像装置可以安装在飞行体上，飞行体飞行过程中，依次对地面进行扫描，如图3所示，在同一个时刻，前视光学成像单元（探测器31）、正视光学成像单元（探测器32）以及前视光谱成像单元（探测器33）将得到三个不同地面点的图像34、图像35、图像36。

而如果确定好前视光学成像单元、后视光学成像单元以及正视光谱成像单元彼此之间的倾斜角，利用三者彼此之间以及和地面地物之间的几何比例关系，可在三个不同时刻得到同一地面点的三个不同视角下的图像，如图4所示，选时间轴上时刻T1、T2、T3（T3＞T2＞T1），可见，在时刻T1，后视光学成像单元（探测器41）、正视光学成像单元（探测器42）以及前视光谱成像单元（探测器43）中前视光谱成像单元（探测器43）得到图像40；在时刻T2，后视光学成像单元（探测器44）、正视光学成像单元（探测器45）以及前视光谱成像单元（探测器46）中正视光谱成像单元（探测器45）得到图像40；在时刻T3，后视光学成像单元（探测器47）、正视光学成像单元（探测器48）以及前视光谱成像单元（探测器49）中后视光谱成像单元（探测器47）得到图像40。三个视角的成像数据经重构处理，可以得到地物的空间立体图像。其中正视分系统获得是光谱立方体，为考虑系统便于装调和应用于各种环境，不采用能量补偿，故而在分光器件之后传输的光学能量将降低，图谱系统的空间分辨率将有所降低。因此在获得前视和后视光学成像系统成像之后，采用数据融合的方法，对正视系统空间分辨率提高。

由于地形的高度变化，扫描地面同一点的前视光学成像单元、后视光学成像单元以及正视光谱成像单元相机的距离时大时小，如果飞行体是匀速直线飞行且没有俯仰和侧滚的变化，则可根据同名像点对应的周期，求出对应前视光学成像单元、后视光学成像单元以及正视光谱成像单元相机的距离，从而按照简单的三角测量方法求出地面点的坐标，此为根据现有的计算方法可以实现，在此不再展开描述。

但实际上，飞行体的速度和姿态是常变的，这就要求有飞行体的运动和姿态测量系统，如要求精度不高，就可利用测出的飞行体运动和姿态参数，用解简单方程组的方法求出，此为根据现有的计算方法可以实现，在此不再展开描述；如要求精度高，就得采用传统摄影测量的光束法平差理论，此为根据现有的计算方法可以实现，在此不再展开描述。

通过上述描述，可见本发明实施例的立体高光谱成像装置与现有技术方案相比：

结构紧凑，加工装调简单、稳定性好，易于实现轻量化小型化的生产要求；

相比三线阵光学立体成像，本发明实施例的立体高光谱成像装置能量利用率高，利用光栅（或棱镜）等分光器件可分光波段成像，获得各个波段的光谱图像，相比只有三维光学图像，图像信息获取更充分、有效；

相比三线阵光学立体成像，本发明实施例的立体高光谱成像装置采用光路分离，共光学前置光路，对稳定平台要求低；

相比同类型光谱成像仪，本发明实施例的立体高光谱成像装置可以实现立体光学图像和光谱图像同时获取，而且对光谱成像仪所获得图谱图像分辨率要求低，降低了光谱分光设计难度；

相比激光雷达立体成像，本发明实施例的立体高光谱成像装置简单，不受到激光采样速率和频率的限制，在数据处理部分，对光学系统的各种参数精度要求很少，甚至可以忽略。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。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 (8)

1.一种立体高光谱成像装置，其特征在于，包括平台，设置在所述平台上的前视光学成像单元、后视光学成像单元以及正视光谱成像单元，所述前视光学成像单元与所述正视光谱成像单元之间的夹角以及所述后视光学成像单元与所述正视光谱成像单元之间的夹角符合预设要求：

所述前视光学成像单元包括依次设置的第一前置镜以及第一探测器，成像目标通过第一前置镜与第一探测器满足物像关系；

所述后视光学成像单元包括依次设置的第二前置镜以及第二探测器，成像目标通过第二前置镜与第二探测器满足物像关系；

所述正视光谱成像单元包括依次设置的第三前置镜、分光器件、汇聚镜以及第三探测器，成像目标通过第三前置镜、分光器件、汇聚镜与第三探测器满足物像关系。

2.根据权利要求1所述的立体高光谱成像装置，其特征在于，所述第一前置镜为球面或非球面的前置镜，所述第二前置镜为球面或非球面的前置镜，所述第三前置镜为球面或非球面的前置镜。

3.根据权利要求1或2所述的立体高光谱成像装置，其特征在于，所述分光器件为棱镜或者光栅。

4.根据权利要求1或2所述的立体高光谱成像装置，其特征在于，所述汇聚镜为球面或非球面的汇聚镜。

5.根据权利要求1或2所述的立体高光谱成像装置，其特征在于，所述第一探测器为线阵或面阵电荷耦合器件CCD探测器，或者线阵或面阵互补金属氧化物半导体CMOS探测器，所述第二探测器为线阵或面阵CCD探测器，或者线阵或面阵CMOS探测器，所述第三探测器为线阵或面阵CCD探测器，或者线阵或面阵CMOS探测器。

6.根据权利要求1或2所述的立体高光谱成像装置，其特征在于，所述前视光学成像单元与所述正视光谱成像单元之间的夹角预设要求为小于60度；

所述后视光学成像单元与所述正视光谱成像单元之间的夹角预设要求为小于60度。

7.根据权利要求1或2所述的立体高光谱成像装置，其特征在于，光通过所述第三前置镜后发射平行光到所述分光器件，再通过所述分光器件分光后发射出平行光，最后通过所述汇聚镜汇聚到所述第三探测器上成像。

8.根据权利要求1或2所述的立体高光谱成像装置，其特征在于，根据所述前视光学成像单元与所述正视光谱成像单元之间的夹角以及所述后视光学成像单元与所述正视光谱成像单元之间的夹角，所述前视光学成像单元得到成像目标在时刻T1的图像，正视光谱成像单元得到成像目标在时刻T2的图像，后视光谱成像单元得到成像目标在时刻T3的图像，其中，T3＞T2＞T1。