CN105438489B - 基于旋翼无人机的高光谱转镜扫描成像系统及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于旋翼无人机高光谱成像技术领域，公开了一种基于旋翼无人机的高光谱转镜扫描成像系统及其成像方法，用于解决现有技术因无人机飞行不平稳而导致图像采集质量差的问题。本发明包括无人机和控制模块，无人机连接有高光谱转镜扫描成像系统，高光谱转镜扫描成像系统包括底板，底板上安装有成像镜头、成像光谱仪和相机，成像光谱仪连接在成像镜头和相机之间，成像镜头的前端安装有扫描转镜装置，扫描转镜装置包括固定安装的转轴，转轴上套设有能够在转轴上转动的转镜镜片底座，转镜镜片底座上安装有转镜镜片，转镜镜片底座连接有推杆，推杆连接有直线电机。

Description

基于旋翼无人机的高光谱转镜扫描成像系统及其成像方法

技术领域

本发明属于旋翼无人机高光谱成像技术领域，具体涉及一种基于旋翼无人机的高光谱转镜扫描成像系统及其成像方法。

背景技术

遥感技术的发展经历了全色（黑白）、彩色摄像，多光谱扫描成像阶段之后，在上世纪80年代初期出现的成像光谱技术，使光学遥感进入了一个崭新的阶段—高光谱遥感阶段。所谓的高光谱遥感指的是具有高光谱分辨率的遥感科学和技术，成像光谱技术所使用的成像光谱仪能在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和短波红外区域，获取许多非常窄且光谱连续的图像数据。成像光谱仪为每一个像元提供数十至数百个窄波段的光谱信息，由此而组成一条完整而且连续的光谱曲线。成像光谱仪将视场范围内观察的各种地物以完整的光谱曲线记录下来，而对所记录的数据进行分析处理和研究是多学科所要进行的工作。

高光谱成像技术是一门新兴的交叉学科，建立在传感器、计算机等技术的基础上，涉及到电磁波理论、光谱学与色度学、物理/几何光学、电子工程、信息学、地理学、农学、大气科学、海洋学等多门学科。电磁波理论则是遥感技术的物理基础，电磁波与地表物质的相互作用机理、电磁波在不同介质中的传输模型和对其进行接收、分析是综合各门学科和技术的核心所在。针对不同地物的不同光谱特征, 利用高光谱图像可有效地区分和识别地物, 因而被广泛地应用于大气探测、医学诊断、物质分类和目标识别、国土资源、生态、环境监测和城市遥感中。

被测物体通过镜头后被光谱相机捕获，得到一个一维的影像以及相应的光谱信息，而当电控移动平带带动样品连续运行时，则能够得到样品目标物的连续的一维影像以及实时的光谱信息，或者是当扫描转镜在转动的时候，同样也能够得到目标物的连续的一维影像。而在此过程中所有的数据会被计算机软件所记录，最终获得一个包含了影像信息和光谱信息的三维数据立方体。通过对数据的分析，可针对目标样品的品质信息进行检测。

成像系统是将成像光谱仪和面阵单色相机完整的结合在一起的系统。成像光谱仪每次成目标上一条线的像，并对进入光谱仪狭缝的入射光进行分光，分光使每个光谱成分对应探测器线阵上的一个像素点。因此，每一幅来自光谱相机的图像结构包括一个维度（空间轴）上的线阵像素和在另一个维度（光谱轴）上的光谱分布（光在光谱元素的强度）。这样，经过准确校准并固定在一起成像光谱仪和面阵单色相机、成像镜头以及平移机构带动样品的运动或者通过扫描转镜的转动则可获取目标物的三维的高光谱数据。

成像光谱仪使用一个新的准直（轴上）光学构造和一个体全息透射光栅。此构造能够提供非常高的衍射效率和很好的线性光谱，而独立的入射光偏振是由于轴上操作引起的几何畸变和透射光学的应用引起的。透射光栅是人造全息在两块玻璃粘板之间的DCG（DiChromated Gelation）上的。DCG有很高的衍射效率、较低的色散、较低的多级衍射和不产生鬼线。

成像过程为：每次成一条线上的像后（X方向），在驱动电机驱动扫描转镜转动的过程中，排列的探测器扫出一条带状轨迹从而完成纵向扫描（Y方向）。综合横纵扫描信息就可以得到样品的三维高光谱图像数据。此数据包含了：影像、辐射与光谱三方面的特征信息。

现有技术中扫描转镜的设置方式有两种：

一、成像系统将成像镜头、成像光谱仪和面阵单色相机完整的结合在一起，固定在系统内，三者之间无任何相对运动。在成像镜头前方设计一个扫描转镜，入射光束经转镜偏转后进入镜头，再通过成像光谱仪的分光，最后将被测物体的像呈在探测器上。成像光谱仪每次成目标上一条线的像，并分光使每个光谱成分对应线阵上的一个像素点。因此，每一幅来自光谱相机的图像结构包括一个维度（空间轴）上的线阵像素和在另一个维度（光谱轴）上的光谱分布（光在光谱元素的强度）。而要将目标对象所有的像都呈现在面阵探测器上，需要目标物和成像系统之间有一个相对的运动。通过安装在成像镜头前方的扫描转镜来完成光谱的扫描。

二、因成像光谱仪每次成目标上一条线的像，所以在镜头前面设计安装了一个与镜头焦平面成45度的平面反射镜，如图4所示。成像光谱仪前端的入射狭缝与其放置在前端的反射扫描镜镜面是平行的，正对镜面中心线。而扫描转镜也是一个平面反射镜，通过机械结构件将其安装在一个转动齿轮上，转动齿轮可以在驱动转镜转动电机的转动下，扫描转镜就可以进行360度的旋转，这样目标物的信息经过反射镜之后进入成像系统，被探测器采集并生成高光谱图像。这种模式可以实现大范围的扫描，不再受到镜头视场以及其他因素的影响而导致无法实现宽视场范围的图像采集和扫描，设计结构非常紧凑谐调。在此转镜扫描模式下，利用驱动电机带动扫描转镜下端的齿轮，使转镜以其转镜镜面的中心轴为轴心进行360度旋转。通过转镜的旋转，使不同目标物的影像依次进入由成像镜头——成像光谱仪和探测器组成的成像系统，最后呈现出一幅完整的高光谱影像数据。平面镜是一个不改变光束单心性能，并能完善成像的光学系统，所成的像与原大小相同并对称与镜面。

然而，现有的无人机扫描成像系统，都是利用飞行器（无人机）挂载成像仪设备，将飞行器的飞行动作作为成像仪设备的平移机构，当飞行器（无人机）不能够保证足够的平稳，采集的图像就会发生变形，并且在采集的过程中扫描的速度也非常难以把控，导致图像采集的质量差。

同时，利用转镜模式采集图像时，扫描转镜以中小轴为圆心做圆周运动，转镜映射到不同距离的目标物体所表现出来的线速度却不一样。在图像采集的起始端和末端所对应扫描转镜转动时其扫描线速度会比较大，而在图像采集的中间部分时，其扫描的线速度则会相对小一些；也就是说出现一个类似余弦函数关系的一个速度关系；在起始端和末端进行采集扫描时，需要很高的扫描线速度与之匹配；而速度不一致会导致图像发生畸变。

发明内容

本发明为了解决现有技术因无人机飞行不平稳而导致图像采集质量差以及扫描起始端和末端与中间段速度不一致而出现一个类似余弦函数关系的一个速度关系，导致图像发生畸变的问题，而提供一种基于旋翼无人机的高光谱转镜扫描成像系统及其成像方法，利用无人机作为高光谱转镜扫描成像系统的载物台，通过无线传输对飞行器进行远程控制，使无人机飞、停至指定区域，高光谱转镜扫描成像系统则是利用转镜扫描的方式进行图像采集，从而提高采集图像的质量；同时在扫描的起始端、末端还是中间段，对拍摄的图像都能够保持一个恒定的速度进行，消除了转镜扫描时产生的余弦相差，避免了图像发生畸变。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于旋翼无人机的高光谱转镜扫描成像系统，包括无人机以及控制无人机飞行的控制模块，所述无人机连接有高光谱转镜扫描成像系统，所述高光谱转镜扫描成像系统包括底板，所述底板上安装有成像镜头、成像光谱仪和相机，所述成像光谱仪连接在成像镜头和相机之间，所述成像镜头的前端安装有扫描转镜装置，所述扫描转镜装置包括固定安装的转轴，所述转轴上套设有能够在转轴上转动的转镜镜片底座，所述转镜镜片底座上安装有转镜镜片，所述转镜镜片底座连接有推杆，所述推杆连接有直线电机。

所述高光谱转镜扫描成像系统经三轴无刷云台与无人机连接。

所述直线电机的速度按照余弦函数运动。

所述推杆经转接件与直线电机连接。

所述转镜镜片底座上连接有限位片，所述限位片配设有限位开关底座。

所述扫描转镜装置还包括安装在底板上的固定座，所述转轴套设在固定座上。

所述限位开关底座固定安装在固定座上。

所述底板上还设有用于远程监控图像采集区域和质量的辅助摄像头。

本发明还提供一种基于旋翼无人机的高光谱转镜扫描成像系统的成像方法：其特征在于，包括以下步骤：

（1） 将搭载有高光谱转镜扫描成像系统的无人机通过控制模块悬停至指定区域（即图像采集区域）；

（2） 控制高光谱转镜扫描成像系统进行图像的扫描采集。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的基于旋翼无人机的高光谱转镜扫描成像系统，包括无人机以及控制无人机飞行的控制模块，所述无人机连接有高光谱转镜扫描成像系统，所述高光谱转镜扫描成像系统包括底板，所述底板上安装有成像镜头、成像光谱仪和相机，所述成像光谱仪连接在成像镜头和相机之间，所述成像镜头的前端安装有扫描转镜装置，所述成像光谱仪的前端设有入射缝，所述入射缝与成像镜头的焦平面平行；所述扫描转镜装置包括固定安装的转轴，所述转轴上套设有能够在转轴上转动的转镜镜片底座，所述转镜镜片底座上安装有转镜镜片，所述转镜镜片底座连接有推杆，所述推杆连接有直线电机。本发明的成像系统通过直线电机的加速-减速-加速的运动状态能够弥补转镜扫描时，在图像采集扫描的起始端和末端与中间段时扫描速度表面不均匀的问题；与扫描时产生的类似余弦函数相互抵消；使得在扫描的起始端、末端还是中间段，对拍摄的图像都能够保持一个恒定的速度进行，消除了转镜扫描时产生的余弦相差，避免了图像发生畸变。

本发明的基于旋翼无人机的高光谱转镜扫描成像系统的成像方法，利用无人机作为高光谱转镜扫描成像系统的载物台，通过无线传输对飞行器进行远程控制，使无人机飞、停至指定区域，高光谱转镜扫描成像系统则是利用转镜扫描的方式进行图像采集，解决了通过无人机的运动来调整扫描范围而带来的重心不稳定的问题，从而提高采集图像的质量，同时具有控制简单、方便的特点。

同时，本发明的成像方法通过三轴无刷平台来对高光谱转镜扫描成像系统进行重心调节，具有调节方便、调节精度高的特点，保证高光谱转镜扫描成像系统重心的稳定。

附图说明

图1是本发明的一实施例的结构示意图；

图2是本发明的高光谱转镜扫描成像系统的结构示意图；

图3是本发明的扫描转镜装置的结构示意图，并且是去除掉固定座时的结构示意图；

图4是图3的另一角度结构示意图；

图5是本发明的直线电机速度函数关系；

图6是本发明的图像扫描速度函数关系；

图7是本发明的直线电机与图像扫描速度的函数关系；

图中标记：01、无人机，02、三轴无刷云台，03、高光谱转镜扫描成像系统，1、底板，2、相机，3、成像光谱仪，4、成像镜头，5、固定座，6、直线电机，7、转接件，8、推杆，9、转轴，10、转镜镜片底座，11、限位片，12、限位开关底座，13、开口，14、转镜镜片，15、进入转镜镜片的光，16、经转镜镜片反射后进入成像光谱仪的光。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。

结合图1至图7，本发明的基于旋翼无人机的高光谱转镜扫描成像系统，包括无人机01以及控制无人机飞行的控制模块，所述无人机01连接有高光谱转镜扫描成像系统03，其中无人机以及控制无人机飞行的控制模块均属于现有技术产品，本领域的技术人员都明白和理解，在此不再赘述。

作为本发明一种优选的方式，高光谱转镜扫描成像系统03经三轴无刷云台02连接在无人机的底部，三轴无刷云台02属于现有技术产品，本领域的技术人员都明白和理解，在此不再赘述。所述高光谱转镜扫描成像系统03包括底板1，所述底板1上还设有成像镜头4、成像光谱仪3和相机2，所述成像光谱仪3连接在成像镜头4和相机2之间，其中，成像镜头4、成像光谱仪3和相机2都属于现有技术产品，本领域的技术人员都明白和理解，在此不再赘述；作为本发明一种优选的方式，相机选用面阵单色相机；所述底板1上安装有扫描转镜装置，所述扫描转镜装置安装在成像镜头4的前端，其中，所述成像光谱仪3的前端设有入射缝，所述入射缝与成像镜头4的焦平面平行；所述扫描转镜装置包括固定安装的转轴9，所述转轴9上套设有能够在转轴9上转动的转镜镜片底座10，所述转镜镜片底座10上安装有转镜镜片14，所述转镜镜片底座10连接有推杆8，所述推杆8连接有直线电机6。当直线电机运行到设定行程的中心时，直线电机的运行速度会减小至最低值，而此时图像扫描端所需要的扫描速度也正好是最低值；随着直线电机推动转镜继续向远端靠近时，图像采集端也向着远端行进，也需要相对高的速度来维持速度的匹配，而直线电机在起始位置的速度这相对大一些，这样通过往复的运行来完成图像的采集。

进入转镜镜片的光15经过转镜镜片发射后进入成像光谱仪，形成经转镜镜片反射后进入成像光谱仪的光16。

本发明通过直线电机的加速-减速-加速的运动状态能够弥补转镜扫描时，在图像采集扫描的起始端和末端与中间段时扫描速度表面不均匀的问题；从而使得在扫描的起始端、末端还是中间段，对拍摄的图像都能够保持一个恒定的速度进行，消除了转镜扫描时产生的余弦相差，避免了图像发生畸变。

结合图5、6和图7，本发明利用直线电机来推动转镜镜片的转动，以其自身结构在运动过程中以恒定的速度进行，而与其连接的转接件会在其直线电机的推动下表现出特定的运动状态，而这种类似余弦函数的运动扫描状态恰好能够弥补转镜镜片扫描时，在图像采集扫描的起始端-末端和中间段时扫描速度表现不均匀的问题。充分利用二者之间的这种互补关系来修正图像采集时速度能够始终保持恒定的问题。结合附图7，可以看出本发明的直线电机与图像扫描速度关系，从而解决现有技术中因转镜镜片扫描速度不一致而导致的图像畸变的问题。本发明的直线电机的旋转经涡轮蜗杆或者齿轮改变为直线运动，通过推拉往返，来带动使转镜镜片完成往复运动。

作为本发明一种优选的方式，直线电机选用由常州美能特机电制造有限公司生产的直线电机。

作为本发明一种优选的方式，所述底板1上开设有用于光线进入转镜镜片14的开口13。

所述推杆8经转接件7与直线电机6连接。

本发明的所述转镜镜片底座10上连接有限位片11，所述限位片11配设有限位开关底座12，通过限位片11和限位开关底座12共同作用，来实现限位的作用，提高本发明的实用性。

作为本发明一种选择的方式，所述扫描转镜装置还包括安装在底板1上的固定座5，所述转轴9套设在固定座5上；所述限位开关底座12固定安装在固定座5上。

本发明的底板上还设有用于远程监控图像采集区域和质量的辅助摄像头，通过辅助摄像头对图像采集区域和质量进行实时监测和监控，提高本发明的实用性；其中辅助摄像头属于现有技术产品，本领域的技术人员都明白和理解，在此不再赘述。

本发明的基于旋翼无人机的高光谱转镜扫描成像系统的成像方法，包括以下步骤：

（1） 将搭载有高光谱转镜扫描成像系统03的无人机01通过控制模块悬停至指定区域（即图像采集区域）；对于无人机的起飞、悬停的控制，本领域的技术人员都明白和理解，在此不再赘述。

（2） 控制高光谱转镜扫描成像系统进行图像的扫描采集；对于高光谱转镜扫描成像系统的控制主要在于对直线电机的控制，高光谱转镜扫描成像系统配设有控制器，用于控制高光谱成像系统的动作调节和控制；让直线电机按照加速-减速-加速的运动状态进行运动，使得转镜镜片在扫描的起始端、末端还是中间段，对拍摄的图像都能够保持一个恒定的速度进行，消除了转镜扫描时产生的余弦相差，避免了图像发生畸变。其中控制器以及高光谱转镜扫描成像系统的控制，本领域的技术人员都能明白和理解，在此不再赘述。

Claims (4)

1.基于旋翼无人机的高光谱转镜扫描成像系统，包括无人机以及控制无人机飞行的控制模块，其特征在于，所述无人机连接有高光谱转镜扫描成像系统，所述高光谱转镜扫描成像系统包括底板，所述底板上安装有成像镜头、成像光谱仪和相机，所述成像光谱仪连接在成像镜头和相机之间，所述成像镜头的前端安装有扫描转镜装置，所述扫描转镜装置包括固定安装的转轴，所述转轴上套设有能够在转轴上转动的转镜镜片底座，所述转镜镜片底座上安装有转镜镜片，所述转镜镜片底座连接有推杆，所述推杆连接有直线电机；所述高光谱转镜扫描成像系统经三轴无刷云台与无人机连接；所述直线电机的速度按照余弦函数运动；所述推杆经转接件与直线电机连接；所述转镜镜片底座上连接有限位片，所述限位片配设有限位开关底座；所述扫描转镜装置还包括安装在底板上的固定座，所述转轴套设在固定座上。

2.根据权利要求1所述的基于旋翼无人机的高光谱转镜扫描成像系统，其特征在于，所述限位开关底座固定安装在固定座上。

3.根据权利要求1所述的基于旋翼无人机的高光谱转镜扫描成像系统，其特征在于，所述底板上还设有用于远程监控图像采集区域和质量的辅助摄像头。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于旋翼无人机的高光谱转镜扫描成像系统的成像方法，其特征在于，该成像方法包括以下步骤：

（1） 将搭载有高光谱转镜扫描成像系统的无人机通过控制模块悬停至指定区域；

（2） 控制高光谱转镜扫描成像系统进行图像的扫描采集。