CN104457708B - 一种紧凑型多光谱相机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紧凑型多光谱相机，由成像物镜、滤光片阵列以及面阵探测器三个部分组成；成像物镜实现对目标成像的功能；滤光片阵列实现对目标光谱的视场分割；面阵探测器通过光电效应获取和记录数字信息。本发明结构紧凑，重量轻便，工作可靠，稳定性高，降低了仪器对平台姿态稳定度的要求，能很好的满足航天应用需求。

Description

一种紧凑型多光谱相机

技术领域

本发明涉及一种紧凑型多光谱相机，属于航天遥感技术领域。

背景技术

随着科学技术的不断发展，航天遥感技术已经被广泛应用于天文观测、遥感、测绘和军事侦察等诸多领域，它正逐渐成为人们获取各种空间信息、发现和识别目标最重要手段之一。利用搭载在卫星上的空间遥感仪器进行对地观测，具有速度快、视野广、覆盖范围大、不受领空限制和全球覆盖的优点。对于对地观测卫星来说，提高对目标的探测能力不仅仅依赖空间分辨率的提高，还依赖相机覆盖的波段范围及波段数。显然这就涉及到光谱成像技术，通过获得地物几个或更多波段的光谱信息，实现目标空间信息、辐射信息、光谱信息的同步获取，能够提高对目标特性的综合探测感知与识别，极大地扩展了遥感探测技术的目标分辨、监测能力。

多光谱成像技术是上世纪60年代初期出现的一种遥感技术，其波段范围及波段数的选择与应用目标直接相关，通过对特定谱段信息和全色信息的获取，对揭示目标的各种物化性质、提高目标识别能力具有重要意义。按照它光谱获取方式的不同，大致可分为多相机式、单镜头多路分光式、以及滤光片式，其中滤光片式又分为，滤光片轮式、可调谐滤光片式、线性渐变滤光片和楔形滤光片式。

多相机式是由多个相机组成，每个相机前配置不同带通滤光片，分别获取对应谱段信息。这种形式的多光谱相机能够实现图谱合一，一次曝光就能获得所需的空间信息和光谱信息，而且可以针对不同的探测要求和目标方便的更换滤光片。但是，不同光轴的相机相互之间具有视角上的偏差，这在后续的数据处理中需要对多路图像进行视角校正和配准。同时，多个相机的布置，增加了整体系统的体积、质量和造价。

滤光片轮和可调谐滤光片式的特点是共用一个相机系统，前者是在系统前加入一个旋转的滤光片转轮，显然要获取目标的多光谱信息，需要转动滤光片轮对同一目标进行多次曝光，且工作时存在运动部件，可靠性降低。后者是在系统中加入可调谐滤光片，包括液晶和声光可调谐滤光片，通过调谐信号改变通光波长实现不同信号的获取，也需要对同一目标进行多次曝光来实现数据立方体的获取，且波段切换速度有限，应用受到限制。

线性渐变滤光片和楔形滤光片这两种形式都是在靠近探测器靶面处，覆盖一块或多块楔形滤光片或者是镀有渐变滤光膜的玻璃基底，由于靶面处不同行像元接受透过的不同波长信号，通过平台推扫就能获取多个谱段信息和空间信息。显然这种形式的多光谱相机结构简单可靠，但是过分依赖于平台推扫，要求飞行速度与CCD转移速度严格匹配，姿态稳定性要求过高。

单镜头多路分光式是采用单镜头加上分光棱镜分光，将光线分成多路，需要多个探测器分别接受各个谱段信息。一次曝光就能获取全部空间和光谱信息，图谱合一。但是当谱段数上升时，分光棱镜复杂且探测器数量过多，造价昂贵。

上述各种形式多光谱相机，要么体积过于庞大复杂，要么包含运动部件，要么姿态稳定性要求过高。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种紧凑型多光谱相机，结构极为紧凑，重量轻便，工作可靠，稳定性高，降低了仪器对平台姿态稳定度的要求，能很好的满足航天应用需求。

本发明技术解决方案：一种紧凑型多光谱相机，由成像物镜1、滤光片阵列2以及面阵探测器3组成，三者通过相机整体结构固连；成像物镜1实现对目标成像的功能，滤光片阵列2位于面阵探测器3前实现对目标光谱的视场分割；面阵探测器3通过光电效应获取和记录数字信息；所述滤光片阵列2包括镀膜基片14和玻璃基底15，镀膜基片14上，分别镀制多个不同条带滤光膜，包括全色和多光谱通道，完成后用光学粘合剂将其与玻璃基底15胶合在一起，形成完整的滤光片阵列2；滤光片阵列2排布垂直于飞行方向，每个条带滤光膜只能通过一个谱段的图像，面阵探测器3的若干行像元对应一个光谱带，则整个面阵探测器3对应若干光谱带，不同视场经过各个条带滤光膜滤波，在面阵探测器3靶面上获取的是相应视场的不同光谱信息，每次拍照获得某一区域目标的二维空间信息和不同视场对应不同的光谱信息，通过平台飞行推扫，边缘视场移动至成像物镜系统1的成像面中心，再次曝光将获取该目标的另外一个谱段信息，从而获得目标的完整数据。

本发明具体工作过程为：

(1)将目标区域划分为与滤光片阵列数一致的n个条带目标：O₁、O₂、O₃…O_n；

(2)各条带目标O₁、O₂、O₃…O_n，经过成像物镜成像，变换为其对应的像i₁、i₂、i₃….i_n；

(3)各目标像i₁、i₂、i₃…i_n；再经过滤光片阵列相应条带滤光，相当于目标像乘以滤光片透过率函数T₁、T₂、T₃…T_n，即形成最终的目标各条带像：I₁＝T₁(λ)×i₁、I₂＝T₂(λ)×i₂、I₃＝T₃(λ)×i₃….I_n＝T_n(λ)×i_n；

(4)面阵探测器通过光电效应获取和记录目标各条带像的信息。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明由于滤光片阵列的光谱成像原理简单，在谱段数不多的情况下，这种形式的相机系统相当于在一个照相机后加分光器件，原理简单，结构紧凑，重量轻便，工作可靠，稳定性高。而对于分光器件的镀膜，国内已有比较成熟的工艺，可以解决。而且多光谱相机以小画幅方式工作，极大降低了仪器对飞行器姿态稳定度的要求，较好的保证了光谱数据后处理的精度，适合于多个平台多光谱成像应用。

(2)本发明的提出了一种重量轻便，工作可靠，结构紧凑的多光谱相机，采用了阵列滤光片的方式，简化了多光谱相机系统的结构。

附图说明

图1为本发明原理示意图；

图2为本发明的结构图；

图3为本发明滤光片阵列条带分布示意图；

图4为为本发明滤光片阵列整体构成示意图；

图5为本发明的多光谱相机全色光点列图；

图6为本发明的多光谱相机光学系统全色光MTF曲线图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明由成像物镜1、滤光片阵列6及面阵探测器7组成，其中成像物镜1由R-C系统4和校正镜组5构成，实现对目标成像的功能，滤光片阵列6位于面阵探测器7前，实现对目标光谱的视场分割；面阵探测器7通过光电效应获取和记录数字信息；整个多光谱相机可以看作在传统的相机系统中加入了一个滤光片阵列6，放置在面阵探测器7靶面前，如图3所示，在滤光片阵列7上沿着垂直于飞行的方向镀制多个不同谱段的滤光膜，图中8-13分别对应可见光、红、绿、蓝以及两个近红外六个谱段的滤光片条带。每个条带滤光膜只能通过相应谱段的图像，面阵探测器的若干行像元对应一个光谱带，则整个面阵探测器7对应若干光谱带。显然，不同视场经过各个条带滤光膜滤波，在面阵探测器上获取的是相应视场的不同光谱信息，每次拍照获得某一区域目标的二维空间信息和不同视场对应不同的光谱信息。通过平台飞行推扫，边缘视场移动至面阵探测器的像面中心，再次曝光将获取该目标的另外一个谱段信息，从而获得目标的完整数据。

对于紧凑型滤光片阵列式多光谱相机，其光谱分辨率完全取决于各滤光片条带的光谱透过率曲线，假设一共有n个条带，其光谱透过率函数分别为，T₁(λ)、T₂(λ)….T_n(λ),目标信息为O(x,y,λ)，x,y,λ对应空间信息和波长信息。则第i个条带对应的目标信息O_i(x,y,λ)可以表示为：

其中，假设飞行方向沿着Y轴，y_i表示目标在第i个条带处的中心位置坐标，a表示条带宽度，表示第i个条带对应的矩形窗函数。则在探测器靶面上，获取的第i个条带图像I_i(x,y,λ)即为：

I_i(x,y,λ)＝T_i(λ)×O_i(x,y,λ) (2)

最终获取的图像I(x,y,λ)，显然就是n个条带图像的和：

滤光片各条带的透过率曲线，在理想情况下形状为一个矩形函数。但是实际上在绝大多数情况下，检测出的透过率函数都近似为一个高斯函数：

其中，T_p是曲线的峰值透过率，λ_c是透过谱段的中心波长，σ是透过率函数谱线的方差，对应第i条带波形的方差就是σ_i。将(2)代入公式(3)中，就得到滤光片阵列的光谱成像公式：

本发明中成像物镜系统视场角2.86度，相对孔径1/7.2，焦距1.8m，采用R-C结构作为本多光谱相机的光学主系统，校正镜组5的加入是为了修正因视场扩大带来的像散。整个系统光谱范围为450～900nm，滤光片阵列6包含6个条带：全色和五个多光谱条带。面阵探测器像元大小6.5μm×6.5μm，奈奎斯特频率77lp/mm。

滤光片阵列6是本发明方案中多光谱相机的关键技术部件，其加工水平直接关系到最终获取图像的光谱分辨率。整个滤光片阵列一共分为两个部分，如图3、4所示，镀膜基片14和玻璃基底15。膜层镀制在薄的基片14上，分别镀制6个不同条带8-13，包括全色和多光谱通，完成后用光学粘合剂将其与玻璃基底胶合在一起，构成完整的滤光片阵列6。显然，6个条带在面阵探测器7上的分布分别对应了不同的视场位置，这就代表每个谱段其实并非要求在所有视场范围都具有良好的成像质量。根据实际成像物镜各个谱段在各视场的成像质量表现，可以选择一个较优良的各谱段在基片上的排列情况。

图5为该多光谱相机光学系统全色光点列图，通过ZEMAX光学设计软件计算可知，光斑RMS(均方根)直径最大为4.5um，远小于探测器像元尺寸；图6为多光谱相机光学系统全色MTF曲线图，在奈奎斯特频率(spatial frequency in cycles)77lp/mm处接近衍射极限，成像质量良好。

表1 光学系统参数分配

焦距	全视场	相对孔径	谱段范围	谱段数
					1.8m	2.86°	1/7.2	450-900nm	5多光谱+全色

所提到的实施方式仅作为本发明技术方案的示例性说明，而不应解释为对本发明的限制，任何对本发明进行显而易见的局部更改都应视为本发明的替代方案。这种替代方案包括反射镜非球面系数的变化、其他滤光片通道数目的应用、改变光学面的偏心或者倾斜角、面与面之间的距离以及校正镜所使用的光学材料等。这些更改和变化不脱离本发明的实质范围。

Claims (2)

1.一种紧凑型多光谱相机，其特征在于：由成像物镜(1)、滤光片阵列(2)以及面阵探测器(3)组成，三者通过相机整体结构固连；成像物镜(1)实现对目标成像的功能，滤光片阵列(2)位于面阵探测器(3)前实现对目标光谱的视场分割；面阵探测器(3)通过光电效应获取和记录数字信息；所述滤光片阵列(2)包括镀膜基片和玻璃基底，镀膜基片上，分别镀制多个不同条带滤光膜，包括全色和多光谱通道，完成后用光学粘合剂将其与玻璃基底胶合在一起，形成完整的滤光片阵列，多个不同条带在面阵探测器(3)上的分布分别对应了不同的视场位置；其中滤光片阵列排布垂直于飞行方向，每个条带滤光膜只能通过一个谱段的图像，面阵探测器(3)的若干行像元对应一个光谱带，则整个面阵探测器(3)对应若干光谱带，不同视场经过各个条带滤光膜滤波，在面阵探测器(3)靶面上获取的是相应视场的不同光谱信息，每次拍照获得某一区域目标的二维空间信息和不同视场对应不同的光谱信息，通过平台飞行推扫，边缘视场移动至成像物镜系统的成像面中心，再次曝光将获取该目标的另外一个谱段信息，从而获得目标的完整数据。

2.一种根据权利要求1所述紧凑型多光谱相机的紧凑型多光谱成像方法，其特征在于步骤为：

(1)将目标区域划分为与滤光片阵列数一致的n个条带目标：O₁、O₂、O₃...O_n；

(2)各条带目标O₁、O₂、O₃...O_n，经过成像物镜成像，变换为其对应的像i₁、i₂、i₃....i_n；

(3)各目标像i₁、i₂、i₃...i_n；再经过滤光片阵列相应条带滤光，相当于目标像乘以滤光片透过率函数T₁、T₂、T₃...T_n，即形成最终的目标各条带像：I₁＝T₁(λ)×i₁、I₂＝T₂(λ)×i₂、I₃＝T₃(λ)×i₃....I_n＝T_n(λ)×i_n；

(4)面阵探测器通过光电效应获取和记录目标各条带像的信息；

对于所述的紧凑型多光谱相机，其光谱分辨率完全取决于各滤光片条带的光谱透过率曲线，假设一共有n个条带，其光谱透过率函数分别为，T₁(λ)、T₂(λ)....T_n(λ),目标信息为O(x,y,λ)，x,y,λ对应空间信息和波长信息，则第i个条带对应的目标信息O_i(x,y,λ)可以表示为：

$O_i(x,y,\mathrm{\λ})=rect\left(\frac{y-y_i}{a}\right)\×O(x,y,\mathrm{\λ})---\left(1\right)$

其中，假设飞行方向沿着Y轴，y_i表示目标在第i个条带处的中心位置坐标，a表示条带宽度，表示第i个条带对应的矩形窗函数，则在探测器靶面上，获取的第i个条带图像I_i(x,y,λ)即为：

I_i(x,y,λ)＝T_i(λ)×O_i(x,y,λ) (2)

最终获取的图像I(x,y,λ)，显然就是n个条带图像的和：

$I(x,y,\mathrm{\λ})=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{T}_i\left(\mathrm{\λ}\right)\×O_i(x,y,\mathrm{\λ})---\left(3\right)$

滤光片各条带的透过率曲线，在理想情况下形状为一个矩形函数，但是实际上在绝大多数情况下，检测出的透过率函数都近似为一个高斯函数：

$T\left(\mathrm{\λ}\right)=T_p\exp (-\frac{{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_c)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2})---\left(4\right)$

其中，T_p是曲线的峰值透过率，λ_c是透过谱段的中心波长，σ是透过率函数谱线的方差，对应第i条带波形的方差就是σ_i，将(2)代入公式(3)中，就得到滤光片阵列的光谱成像公式：

$I(x,y,\mathrm{\λ})=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{T}_{p_i}\exp (-\frac{{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_{c_i})}^2}{2{\mathrm{\σ}}_i^2})\×rect\left(\frac{y-y_i}{a}\right)\×O(x,y,\mathrm{\λ})---\left(5\right).$