CN103743649B - 一种基于多角度偏振成像的地物密度和岩石检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多角度偏振成像的地物密度和岩石检测装置，包括一辐射特性稳定光源、一多角度观测平台、一高光谱成像装置、一计算机和一供电电源；所述高光谱成像装置包含一偏振组件、一光学镜头、一成像单元和一偏振组件调节装置，其中偏振组件、光学镜头和成像单元顺序同轴排列，光学镜头与成像单元固连且成像单元位于光学镜头的成像面上；所述计算机连接所述多角度观测平台和高光谱成像装置。本发明的装置能够获取岩石高光谱、偏振和图像三重信息，并利用设计的偏振模型自动实现岩石检测及岩石密度测量。

Description

一种基于多角度偏振成像的地物密度和岩石检测装置

技术领域

本发明涉及一种地物识别测量装置，特别是一种利用偏振原理测定地物密度及识别岩石的检测装置。

背景技术

遥感技术已经由定性遥感进入定量遥感阶段，相应的微波遥感，高光谱遥感的定量化研究有着重要的应用、发展前景，而偏振遥感的产生是空间遥感技术发展的新方向。偏振遥感充分利用到光的偏振特性，与其它遥感方法有着一些突出的优点：如云和气溶胶的粒径分布问题；目标的偏振测量精度无需准确的辐射量校准就可达到相当高的精度；在取得偏振测量结果的同时，还能够提供辐射量的测量数据。因此，偏振遥感受到极大的关注。

传统的遥感通常只考虑地物的波谱特性而忽略了地物的方向特性，由于地物的方向是地物识别的重要特性，能够还原其非朗伯体的本来面目，因此需要研究能够获得地物的多角信息及偏振信息的光谱测量装置。

借助遥感手段研究地质构造和成矿特性有着广泛的应用前景，岩石的多角度信息及偏振信息对于岩石识别和物理特性测量具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种岩石识别及表面密度估计装置，用于获取岩石高光谱、偏振和图像三重信息，并利用设计的偏振模型自动实现岩石检测及岩石密度测量。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种基于多角度偏振成像的地物密度和岩石检测装置，包括一辐射特性稳定光源、一多角度观测平台、一高光谱成像装置、一计算机和一供电电源；所述高光谱成像装置包含一偏振组件、一光学镜头、一成像单元和一偏振组件调节装置，其中偏振组件、光学镜头和成像单元顺序同轴排列，光学镜头与成像单元固连且成像单元位于光学镜头的成像面上；所述计算机连接所述多角度观测平台和高光谱成像装置。

进一步地，所述偏振组件包含了一偏振片壳体，以及放置在所述偏振片壳体中的起偏器和检偏器；所述偏振组件调节装置位于所述高光谱成像装置的前端，用以调节偏振组件的状态和位置。岩石反射的光谱信息进入该偏振器件，起偏器获取跟偏振方向一致的线偏振光，通过调节检偏器得到两个偏振片的偏振方向的不同夹角，即得到光强和光弱的偏振效果。利用检偏器可以精确调节偏振度等偏振参数，通过传输装置直接输入计算机中相应的软件数据库，用于进行后续处理。

进一步地，所述成像单元通过调节积分时间及量化等级实现接收信号的数字化；所述成像单元包括：一成像传感器，位于所述光学镜头的成像面上，对接收到的多角度观测图像进行广电转换；一信号获取与处理电路，用于接收所所述成像传感器光电转换后的图像，并对该图像进行模数转换后输入计算机，同时用于接收设置好的图像参数；一相机快门控制电路，通过异步串行通信接口电连接所述计算机，用于接收相机快门控制电路的积分时间与曝光频率。

进一步地，所述的多角度观测平台包括一可旋转的支撑平台，以及一置于该支撑平台上的用于调节测量的天顶角和方位角的多角度观测架。所述多角度观测架可以旋转用以精确调节测量时的天顶角及方位角，并将角度信息通过传输装置直接输入计算机数据库中。多角度观测架上每隔5°为一个入射方位，从天顶角算起，在0°～75°变化，这样光源在该支架上可以根据测量需要来调节光源入射角度的大小。该多角度观测架是可以转动的，因此其方位角为0°～360°，并且每隔15°为一个数据采集点（即传感器采样的位置），这样在水平方向上一次可以测到24个数据。优选地，该多角度观测架上设有7个探测头，探测角的范围为0°～60°，每个探测头的角度间隔是10°。

进一步地，还包括一调节所述高光谱成像装置的高度的升降装置，采用折叠双向导向装置实现升降，不同的高度可以获得不同的分辨率光谱。

进一步地，所述光源采用溴钨灯，使光线在被照射的目标物上获得均匀光斑。由于溴钨灯发光的色温一般在3000°K以上，发光稳定，能够使光线稳定照射在岩石上，因此用作测光强的光源很合适。

进一步地，所述计算机采用自动控制系统，多角度观测架在支撑平台上通过计算机控制能自动旋转并采集数据，实现计算机直接对光谱数据进行自动测量、采集、存储和显示。该计算机中包含：一参数设置模块，用于积分时间、曝光频率及成像单元中图像参数设置；一记录存储模块，用于记录并存储设置的参数，存储100%反射的参考板图像及探测图像。

本发明可以同时获得岩石的多角度信息及偏振光谱信息，对数据能够实时采集记录，并能够控制测量参数，具有较高的自动化，最终通过计算机直接显示出岩石的密度信息，并能够与数据库中的岩石标本数据进行比对。

附图说明

图1是本发明的检测装置的工作原理图。

图2是本发明的采用多角度观测架进行测量的示意图。

图3是本发明的偏振器件示意图。

图4是本发明的升降装置示意图。

图5是本发明的旋转支撑平台示意图。

图6是本发明的成像单元组成框图。

图7是本发明不同岩石样品在不同波段下的偏振度图。

图8是本发明不同岩石样品在不同波段下的无偏反射光谱图。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。

图1是本发明的检测装置的工作原理图，如图所示，01是本发明的检测装置直接测得的岩石表面反射光谱和偏振反射光谱，作为岩石的最初测定的物理量。02,03是处理系统将采集的非偏振信息和偏振信息存储到相应的数据库，接下来分别对两种信息进行处理。对于多角度反射光谱，利用空间模型，记录方位角、探测角等参量，直接计算出岩石的反射比04；对于偏振反射光谱，分析得到岩石的物理及化学性质05。

图2是一个进行测量的模拟简图，07是15w的溴钨灯，作为辐射光源，光源在多角度观测架上移动可以得到不同的天顶角，08示意的是本发明的高光谱成像装置，可以得到偏振光谱信息，同样可以通过在多角度观测架上移动得到不同的天顶角，光源的参数信息及探测器的参数和接收的岩石反射信息可以通过传输线路送入计算机，用于信息存储和分析。09为选择平台，用于调节方位角。

本发明的高光谱成像装置08包含一偏振组件、一光学镜头、一成像单元和一偏振组件调节装置，其中偏振组件、光学镜头和成像单元顺序同轴排列，光学镜头与成像单元固连且成像单元位于光学镜头的成像面上。偏振组件用于获得偏振光谱，如图3所示，其中11为起偏器，12为检偏器，岩石反射的光谱信息进入偏振系统，起偏器获取跟偏振方向一致的线偏振光，通过调节12得到两个偏振片的偏振方向的不同夹角，即得到光强和光弱的偏振效果，最后利用光学镜头，成像单元等（如图3中13所示）得到岩石的光谱信息。

图4的（a）、（b）所示是本发明的升降装置，用于调节高光谱成像装置08的高度，不同的高度可以获得不同的分辨率光谱，连杆16用于连接高光谱成像装置08，17为电机，提供升降动力，18为升降箱体，内部采用折叠双向导向装置14实现升降，电机将动力通过丝杠传输到丝杠螺母15上，丝杠螺母15同连杆16是固定连接，丝杠螺母15直接同连杆16相连动力直接传输到升降台上，使得升降台可以上下运动，实现升降台的调节作用，从而实现对探测器高度的调节。

图5是可以旋转的支撑平台，所述多角度观测架置于该支撑平台上。该支撑平台采用四杆支撑，为45号钢杆件结构，该支撑平台主要采用铸铁为材料。观测平台的旋转采用一种蜗轮蜗杆传动机构，通过电机传动动力到蜗杆上，再通过蜗杆将动力传送到蜗轮上，然后通过轴传递到观测平台上，实现观测平台的旋转。

图6是本发明的高光谱成像装置08之内的成像单元，包括一成像传感器，一偏振信号获取与处理电路和一相机快门控制电路。成像传感器位于光学镜头的成像面上，对接收到的光谱图像进行光电转换，输入偏振信号获取与处理电路中。

偏振信号获取与处理电路的作用具体为：

1）用于对输入的信号进行模数转换，并将转换后的数字信号输入计算机；

2）用于接收图像参数，该参数包括图像的数据位深、图像存储格式、图像的像素数、色彩的亮度、饱和度和环境参数等，其中的图像数据位深包括8位、10位和12位等三种位深，图像存储格式包括BMP、TIFF和RAW等三种图像存储格式。上述各种参数可以通过计算机异步串行通信输入，也可以由人为直接在成像单元上设置。

相机快门控制电路通过一异步串行通信接口电连接计算机，用于接收相机快门控制电路的积分时间与曝光频率。本实施例中，偏振信号获取与处理电路与相机快门控制电路可以采用基于FPGA和32位RISC处理器实现。

本发明利用上述装置实验测量了一些岩石样本。这些岩石编号为x1～x14。其中x1，x3，x4，x5，x6，x8，x9，x10均是安山岩；x2是英安岩；x7是凝灰岩；x11是凝灰岩；x13是正长岩；x12是辉石粗安岩；x14是玄武粗安岩。安山岩是硅酸盐，在350～2500nm波段上除了水的特征吸收波段1.4μm和1.9μm，其它特征波段均不显著。

图7和图8为得到的偏振度和反射光谱图。图7为14块岩石样本的偏振度，采用的入射天顶角50°，探测天顶角50°，探测方位角180°；均使用120#磨料研磨表面。图8为14块岩石的无偏反射光谱图。图7、8可以通过岩石不同波段的偏振度及反射比信息，构建出岩石密度测量的模型。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (10)

1.一种基于多角度偏振成像的地物密度和岩石检测装置，其特征在于，包括一辐射特性稳定的光源、一多角度观测平台、一高光谱成像装置、一计算机和一电源；所述高光谱成像装置包含一偏振组件、一光学镜头、一成像单元和一偏振组件调节装置，其中偏振组件、光学镜头和成像单元顺序同轴排列，光学镜头与成像单元固连且成像单元位于光学镜头的成像面上；所述高光谱成像装置获取岩石高光谱、偏振和图像三重信息；所述计算机连接所述多角度观测平台和高光谱成像装置，通过采集的岩石表面反射光谱和偏振反射光谱，利用岩石的偏振信息和非偏振信息直接计算出岩石的不同波段反射比及自动分析岩石的物理化学性质，自动实现岩石检测及岩石密度测量。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述偏振组件包含一偏振片壳体，以及放置在所述偏振片壳体中的起偏器和检偏器。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述偏振组件调节装置位于所述高光谱成像装置的前端，用以调节偏振组件的状态和位置。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述成像单元通过调节积分时间及量化等级实现接收信号的数字化。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述成像单元包括：

一成像传感器，位于所述光学镜头的成像面上，对接收到的多角度观测图像进行光电转换；

一信号获取与处理电路，用于接收所所述成像传感器光电转换后的图像，并对该图像进行模数转换后输入计算机，同时用于接收设置好的图像参数；

一相机快门控制电路，通过异步串行通信接口电连接所述计算机，用于接收相机快门控制电路的积分时间与曝光频率。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的多角度观测平台包括一可旋转的支撑平台，以及一置于该支撑平台上的用于调节测量的天顶角和方位角的多角度观测架。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述多角度观测架上每隔5°为一个入射方位，从天顶角算起在0°～75°变化，以根据测量需要来调节光源入射角度的大小；所述多角度观测架可以转动，其方位角为0°～360°，每隔15°为一个数据采集点；所述多角度观测架上探测架上设有7个探测头，探测角的范围为0°～60°，每个探测头的角度间隔是10°。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述计算机包含：一参数设置模块，用于积分时间、曝光频率及成像单元中图像参数设置；一记录存储模块，用于记录并存储设置的参数，存储100％反射的参考板图像及探测图像。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述光源采用溴钨灯，提供稳定平行光。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括一调节所述高光谱成像装置的高度的升降装置，采用折叠双向导向装置实现升降。