CN106291737B - 一种水下光谱复合成像探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水下光谱复合成像探测系统和方法，该系统包括框体和计算机，所述框体的电源系统分别连接有电子控制模块、高光谱相机、卤素灯、协查光谱探测器及协查光源或协查射线源，所述电子控制模块分别与高光谱相机和协查光谱探测器连接；所述框体上设有与电源系统连接的电源电缆接口、水下定位信标及光电复合缆缆端接口，所述高光谱相机和协查光谱探测器均通过光电复合缆缆端接口与计算机连接。该方法包括通过对高光谱相机和协查光谱探测器所采集到的光谱数据进行特征识别从而实现深海海底矿产的探测。通过使用本发明的探测技术，能快速无接触地对海底物质进行探测，效率和便利性高。本发明的探测系统和方法可广泛应用于海底物质探测领域中。

Description

一种水下光谱复合成像探测系统及方法

技术领域

本发明涉及海底矿产探测技术，尤其涉及一种水下光谱复合成像探测系统及方法。

背景技术

技术词解释：

高清摄像机：即是可以高质量、高清晰影像，拍摄出来的画面可以达到720线逐行扫描方式、分辨率1280*720，或到达1080线隔行扫描方式、分辨率 1920 *1080的数码摄像机。

高光谱相机：利用高光谱成像技术实现的相机。

高光谱成像技术：其所产生的高光谱图像就是在光谱维度上进行了细致的分割，不仅仅是传统所谓的黑、白或者R、G、B的区别，而是在光谱维度上也有N个通道，例如：我们可以把400nm-1000nm分为300个通道，因此，通过高光谱设备，如高光谱相机，获取到的是一个数据立方，不仅有图像的信息，并且在光谱维度上进行展开，结果不仅可以获得图像上每个点的光谱数据，还可以获得任一个谱段的影像信息；常见的高光谱成像技术包括光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光、芯片镀膜等，并且已广泛应用于矿产资源勘探、农业、药业、食品等方面，充分展示了高光谱成像技术的优势与潜力。

人类社会的发展，离不开对各种资源的开发和利用，而在陆地资源逐渐枯竭的今天，人们把目光投向了深海大洋。在海洋中，其几乎存有陆地上有的各种资源，并且还有陆地上没有的一些资源，因此，为了对海洋中的资源，尤其是海洋中的矿产资源，进行开发和利用，人们研发出海底矿产探测设备。然而，目前常用的海底矿产探测设备无法无接触地进行海底物质的快速探测，因此，其并不便于操作使用，而且效率低下。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种水下光谱复合成像探测系统。

本发明的另一目的是提供一种水下光谱复合成像探测方法。

本发明所采用的技术方案是：一种水下光谱复合成像探测系统，包括框体和计算机，所述框体的内腔中设有电源系统，所述电源系统分别连接有电子控制模块、高光谱相机、卤素灯、协查光谱探测器及协查光源或协查射线源，所述电子控制模块分别与高光谱相机和协查光谱探测器连接；所述框体上设有电源电缆接口、水下定位信标及光电复合缆缆端接口，所述电源系统与电源电缆接口连接，所述高光谱相机和协查光谱探测器均通过光电复合缆缆端接口从而与计算机通讯连接；

所述高光谱相机，用于进行高光谱成像，从而采集获得高光谱图像，然后将采集到的高光谱图像传输至计算机；

所述协查光谱探测器，用于进行光谱探测，从而采集获得光谱信息，然后将采集到的光谱信息传输至计算机；

所述计算机，用于利用光谱特征数据库来对采集到的高光谱图像和光谱信息进行光谱匹配识别，从而实现矿物的识别。

进一步，所述计算机包括：

高光谱图像识别模块，用于对采集到的高光谱图像进行光谱特征参数提取后，将提取出的光谱特征参数与光谱特征数据库中的实况数据进行匹配处理，从而根据匹配结果获得相对应的化学成分；

粗定位模块，用于根据得出的化学成分以及获得的系统当前位置信息，从而确定目标矿物所处的区域范围；

控制模块，用于控制协查光谱探测器对该区域范围进行光谱探测；

光谱信息识别模块，用于对采集到的光谱信息进行光谱特征参数提取后，利用光谱特征参数与光谱特征数据库中的实况数据进行匹配处理，从而获得最终的化学成分及含量或者对颜色相近的物质进行区分，以实现矿产的识别。

进一步，所述对采集到的高光谱图像进行光谱特征参数提取，其具体包括：

对采集到的高光谱图像进行预处理，其中，所述的预处理包括降噪处理、背景去除处理和归一化处理；

对预处理后的高光谱图像进行校正和光谱重建；

对重建后得到的光谱数据进行光谱特征参数提取。

进一步，所述协查光谱探测器为X射线探测器，所述协查射线源为X射线源，

或，所述协查光谱探测器为激光拉曼光谱仪，所述协查光源为Nd:YAG激光光源，

或，所述协查光谱探测器为高清摄像机，所述协查光源为近紫外LED灯。

进一步，所述电源系统包括总电源控制模块、灯光电源控制模块及设备电源控制模块，所述总电源控制模块分别与电源电缆接口、灯光电源控制模块及设备电源控制模块连接，所述设备电源控制模块分别与电子控制模块、高光谱相机及协查光谱探测器连接，所述灯光电源控制模块分别与电子控制模块和卤素灯连接；

当所述协查射线源为X射线源，或所述协查光源为Nd:YAG激光光源时，所述X射线源或Nd:YAG激光光源与设备电源控制模块连接；

当所述协查光源为近紫外LED灯时，所述近紫外LED灯与灯光电源控制模块连接。

进一步，所述框体上还设有声学释放器，所述框体的底部设有配重底座，所述框体内腔的顶部设有浮力材料层。

进一步，所述高光谱相机包括高光谱相机主体和密封罐，所述密封罐上设有观察窗口，所述高光谱相机主体设置在密封罐的内腔中，所述高光谱相机主体的镜头朝向观察窗口。

进一步，还包括水密接插件，所述高光谱相机主体通过水密接插件与光电复合缆缆端接口连接。

进一步，所述观察窗口采用钢化硼硅酸盐玻璃来实现。

进一步，所述钢化硼硅酸盐玻璃的内壁设有氟化镁增透膜。

进一步，所述水密接插件为以太网水密接插件。

进一步，所述高光谱相机采用光谱分辨率为0.1nm～3nm、光谱覆盖范围为400nm～1000nm、最大波段数为350个波段以上的高光谱相机来实现。

本发明所采用的另一技术方案是：一种水下光谱复合成像探测方法，该方法包括：

对海底进行高光谱成像，从而采集获得高光谱图像，并将采集到的高光谱图像传输至计算机上；

计算机对采集到的高光谱图像进行光谱特征参数提取后，将提取出的光谱特征参数与光谱特征数据库中的实况数据进行匹配处理，从而根据匹配结果获得相对应的化学成分；

根据得出的化学成分以及获得的系统当前位置信息，从而确定目标矿物所处的区域范围；

控制协查光谱探测器对该区域范围进行光谱探测，然后所述协查光谱探测器将采集到的光谱信息传输至计算机上；

计算机对采集到的光谱信息进行光谱特征参数提取后，利用光谱特征参数与光谱特征数据库中的实况数据进行匹配处理，从而获得最终的化学成分及含量或者对颜色相近的物质进行区分，以实现矿产的识别。

进一步，所述对采集到的高光谱图像进行光谱特征参数提取这一步骤，其具体包括：

对采集到的高光谱图像进行预处理，其中，所述的预处理包括降噪处理、背景去除处理和归一化处理；

对预处理后的高光谱图像进行校正和光谱重建；

对重建后得到的光谱数据进行光谱特征参数提取。

进一步，该方法还包括光谱特征数据库建立这一步骤，所述光谱特征数据库建立这一步骤具体包括：

根据观测配套参数从协查光谱探测器获取光谱信息以及从高光谱相机获取高光谱图像；

对获得的光谱信息和高光谱图像分别进行预处理；

对预处理后的光谱信息和高光谱图像进行光谱特征提取并将提取出的光谱特征参数进行参量化，然后根据参量化后得到的数据从而建立出光谱特征数据库。

进一步，所述对获得的光谱信息进行预处理器这一步骤，其具体为：对获得的光谱信息进行反射率转换和滤波处理。

本发明的有益效果是：本发明的探测系统框体中设有电源系统，所述电源系统分别连接有电子控制模块、高光谱相机、卤素灯、协查光谱探测器及协查光源或协查射线源，所述电子控制模块分别与高光谱相机和协查光谱探测器连接，并且框体上设有电源电缆接口、水下定位信标及光电复合缆缆端接口，所述电源系统与电源电缆接口连接，所述高光谱相机和协查光谱探测器均通过光电复合缆缆端接口与计算机通讯连接，因此由此可得，通过使用本发明的探测系统，能快速且无接触地对海底目标矿物进行探测，大大提高效率以及操作便利性，而且其还具有结构简单、易于实现等优点。

本发明的另一有益效果是：本发明的方法通过高光谱相机和协查光谱探测器所采集的光谱信息采集和识别，从而实现深海海底矿产的识别，这样则能快速且无接触地对海底目标矿物进行探测，大大提高效率以及操作便利性，而且其还具有步骤简单、易于实现等优点。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明一种水下光谱复合成像探测系统的结构示意图；

图2是本发明一种水下光谱复合成像探测系统的第一具体实施例结构示意图；

图3是本发明一种水下光谱复合成像探测系统的第二具体实施例结构示意图；

图4是本发明一种水下光谱复合成像探测系统的第三具体实施例结构示意图；

图5是本发明一种水下光谱复合成像探测方法的步骤流程图。

1、光电复合缆缆端接口；2、水下定位信标；3、声学释放器；4、电源电缆接口；5、电源系统；6、协查光谱探测器；7、卤素灯；8、配重底座；9、浮力材料层；10、高光谱相机；11、协查光源或射线源；12、框体；13、电子控制模块；

51、总电源控制模块；52、灯光电源控制模块；53、设备电源控制模块；

61、X射线探测器；62、激光拉曼光谱仪；63、高清摄像机；

111、X射线源；112、Nd:YAG激光光源；113、近紫外LED灯。

具体实施方式

如图1所示，一种水下光谱复合成像探测系统，包括框体12和计算机，所述框体12的内腔中设有电源系统5，所述电源系统5分别连接有电子控制模块13、高光谱相机10、卤素灯7、协查光谱探测器6及协查光源或协查射线源11，所述电子控制模块13分别与高光谱相机10和协查光谱探测器6连接；

所述框体12上设有电源电缆接口4、水下定位信标2及光电复合缆缆端接口1，所述电源系统5与电源电缆接口4连接，所述高光谱相机10和协查光谱探测器6均通过光电复合缆缆端接口1从而与计算机通讯连接；

所述高光谱相机10，用于进行高光谱成像，从而采集获得高光谱图像，然后将采集到的高光谱图像传输至计算机；

所述协查光谱探测器6，用于进行光谱探测，从而采集获得光谱信息，然后将采集到的光谱信息传输至计算机；

所述计算机，用于利用光谱特征数据库来对采集到的高光谱图像和光谱信息进行光谱匹配识别，从而实现矿物的识别。所述计算机设置在甲板上。

作为本实施例的优选实施方式，所述计算机包括：

高光谱图像识别模块，用于对采集到的高光谱图像进行光谱特征参数提取后，将提取出的光谱特征参数与光谱特征数据库中的实况数据进行匹配处理，从而根据匹配结果获得相对应的化学成分；

粗定位模块，用于根据得出的化学成分以及获得的系统当前位置信息，从而确定目标矿物所处的区域范围；

控制模块，用于控制协查光谱探测器对该区域范围进行光谱探测；

光谱信息识别模块，用于对采集到的光谱信息进行光谱特征参数提取后，利用光谱特征参数与光谱特征数据库中的实况数据进行匹配处理，从而获得最终的化学成分及含量或者对颜色相近的物质进行区分，以实现矿产的识别。其中，所述的系统当前位置信息包括高度信息和利用水下定位信标而所采集到的位置信息。

由上述可得，对于一种水下光谱复合成像探测系统，如图5所示，其具体探测方法包括步骤有：

S101、开始进行深海海底矿产探测，利用高光谱相机10对海底进行高光谱成像，从而拍摄获得高光谱图像，并将获得的高光谱图像通过光电复合缆缆端接口1实时传出至计算机上，同时系统当前位置信息也实时传输至计算机上；

S102、计算机对采集到的高光谱图像进行光谱特征参数提取后，将提取出的光谱特征参数与光谱特征数据库中的实况数据进行匹配处理，从而根据匹配结果区分得出大致的化学成分，这样根据得出的大致化学成分及系统当前位置信息，这样结合系统当前位置信息，便能得到矿产在海底的大概分布情况，实现普查；

S103、根据得出的大致化学成分及系统当前位置信息，能够初步确定目标矿产所处的重点区域范围；

S104、根据得到的重点区域范围从而控制调整框体12的悬浮位置和高度，从而控制使协查光谱探测器6对该区域范围进行光谱探测，然后所述协查光谱探测器将采集到的光谱信息传输至计算机上；

S105、计算机对采集到的光谱信息进行光谱特征参数提取后，利用光谱特征参数与光谱特征数据库中的实况数据进行匹配处理，从而获得最终的化学成分及含量或者对颜色相近的物质进行区分，以实现矿产的详查识别。由此可得，本发明的探测系统能无接触地对海底矿产进行快速探测，工作效率及操作便利性高，而且其还具有结构简单、易于实现等优点。

作为本实施例的优选实施方式，所述对采集到的高光谱图像进行光谱特征参数提取，其具体包括：

对采集到的高光谱图像进行预处理，其中，所述的预处理包括降噪处理、背景去除处理和归一化处理；

对预处理后的高光谱图像进行校正和光谱重建；

对重建后得到的光谱数据进行光谱特征参数提取。

作为本实施例的优选实施方式，上述方法还包括光谱特征数据库建立这一步骤，所述光谱特征数据库建立这一步骤具体包括：

根据观测配套参数从协查光谱探测器获取光谱信息以及从高光谱相机获取高光谱图像；

对获得的光谱信息和高光谱图像分别进行预处理；

对预处理后的光谱信息和高光谱图像进行光谱特征提取并将提取出的光谱特征参数进行参量化，然后根据参量化后得到的数据从而建立出光谱特征数据库。其中优选地，所述对获得的光谱信息进行预处理器这一步骤，其具体为：对获得的光谱信息进行反射率转换和滤波处理。

作为本实施例的优选实施方式，所述协查光谱探测器6为X射线探测器，所述协查射线源11为X射线源，

或，所述协查光谱探测器6为激光拉曼光谱仪，所述协查光源11为Nd:YAG激光光源，

或，所述协查光谱探测器为高清摄像机，所述协查光源11为近紫外LED灯。对于所述协查光谱探测器6，其是采用X射线探测器、激光拉曼光谱仪或高清摄像机，这根据实际需求进行选择设置便可。

作为本实施例的优选实施方式，所述电源系统包括总电源控制模块、灯光电源控制模块、设备电源控制模块，所述总电源控制模块分别与电源电缆接口4、灯光电源控制模块及设备电源控制模块连接，所述设备电源控制模块分别与电子控制模块13、高光谱相机10及协查光谱探测器6连接，所述灯光电源控制模块分别与电子控制模块13和卤素灯7连接；

当所述协查射线源11为X射线源，或所述协查光源11为Nd:YAG激光光源时，所述X射线源或Nd:YAG激光光源与设备电源控制模块连接；

当所述协查光源11为近紫外LED灯时，所述近紫外LED灯与灯光电源控制模块连接。

作为本实施例的优选实施方式，对于所述卤素灯7，为了提高照明效果，可选用多盏150W或400W深海卤素灯，这样不仅能从不同的角度入射，还可以在很大程度上消除阴影，并为海底三维摄像提供更优的照明组合方案。优选地，所述卤素灯7可采用HL-2000卤钨灯来实现。

本发明第一具体实施例

如图2所示，一种水下光谱复合成像探测系统，包括框体12和计算机，所述框体12的内腔中设有电源系统，所述电源系统分别连接有电子控制模块13、高光谱相机10、卤素灯7、X射线探测器61及X射线源111，所述电子控制模块13分别与高光谱相机10和X射线探测器61连接；

具体地，所述电源系统包括总电源控制模块51、灯光电源控制模块52、设备电源控制模块53，所述总电源控制模块51分别与灯光电源控制模块52、设备电源控制模块53连接，所述设备电源控制模块53分别与电子控制模块13、高光谱相机10、X射线探测器61、X射线源111连接，所述灯光电源控制模块52分别与电子控制模块13、卤素灯7连接；

所述框体12上设有电源电缆接口4、水下定位信标2及光电复合缆缆端接口1，所述总电源控制模块51与电源电缆接口4连接，所述高光谱相机10和X射线探测器61均通过光电复合缆缆端接口1从而与计算机通讯连接。

对于上述的探测系统，其具体工作方法步骤包括有：

S201、开始进行深海海底矿产探测，利用高光谱相机10在卤素灯7照明下对海底进行高光谱成像，从而拍摄获得高光谱图像，并将获得的高光谱图像通过光电复合缆缆端接口1实时传出至计算机上，同时系统当前位置信息也实时传输至计算机上；

S202、计算机对采集到的高光谱图像进行光谱特征参数提取后，将提取出的光谱特征参数与光谱特征数据库中的实况数据进行匹配处理，从而根据匹配结果区分得出大致的化学成分，这样根据得出的大致化学成分及系统当前位置信息，便能得到矿产在海底的大概分布情况，实现普查；

S203、根据得出的大致化学成分及系统当前位置信息，能够初步确定目标矿产所处的重点区域范围；

S204、根据得到的重点区域范围从而控制调整框体12的悬浮位置和高度，从而控制使X射线探测器61在X射线源111的照射下对该重点区域范围进行目标矿产的光谱探测，然后所述X射线探测器61将采集到的光谱信息传输至计算机上；

S205、计算机对采集到的光谱信息进行光谱特征参数提取后，利用光谱特征参数与光谱特征数据库中的实况数据进行匹配处理，实现化学成分的分析，从而获得该目标矿产最终的化学成分及含量，实现该目标矿产类型的最终鉴定识别，实现详查。

对于上述对采集到的高光谱图像进行光谱特征参数提取这一步骤，其具体包括：

对采集到的高光谱图像进行预处理，其中，所述的预处理包括降噪处理、背景去除处理和归一化处理；

对预处理后的高光谱图像进行校正和光谱重建，其中，所述的校正包括有几何校正或辐射校正；

对重建后得到的光谱数据进行光谱特征参数提取。

利用降维方法来对重建后得到的光谱数据进行光谱特征参数提取，其中，所述的降维方式包括有主分量分析PCA和独立成分分析ICA。

而对于步骤S202中所述的将提取出的光谱特征参数与光谱特征数据库中的实况数据进行匹配处理，从而根据匹配结果区分得出大致的化学成分这一步骤，其主要是：将提取出的光谱特征参数与光谱特征数据库中的实况数据进行匹配处理，从而实现光谱特征识别、光谱匹配识别、波形特征识别、混合像元识别，然后根据识别结果区分得出矿产的大致化学成分，实现矿物的类别初步区分。

在步骤S201前还设有光谱特征数据库建立这一步骤，其具体包括：

利用X射线探测器61和高光谱相机10对样品矿物进行光谱探测；

根据观测配套参数从X射线探测器61获取光谱信息以及从高光谱相机10获取高光谱图像；

对获得的光谱信息进行预处理，具体为，进行反射率转换和滤波处理；

对获得的高光谱图像进行预处理，具体为，进行降噪、背景去除、归一化、几何校正、辐射校正处理等；

对预处理后的光谱信息和高光谱图像进行光谱特征提取并将提取出的光谱特征参数进行参量化，然后根据参量化后得到的数据从而建立出光谱特征数据库，其中，在建立时，会进行光谱特征与目标属性参数之间关系的建模，以达到根据光谱特征来进行物质区分的目的。

由上述可得，通过使用本发明的探测系统能实现无接触地对海底矿产进行快速探测的功能，而且由于X射线探测器本身具有光谱谱线简单，分析速度快、测量元素多、能进行多元素同时分析等优点，以及其测量的元素范围可包括周期表中从Be～U的所有元素等特点，因此，通过采用X射线探测器还能更全面且准确地获得海底大部分重要物质的分布情况，海底矿产探测全面性高。

对于上述的X射线源111，其优选选取OEG75H型X射线管来实现。而为了能够对目标矿物元素准确分析，所述X射线探测器61的能量分辨率最好为145-230eV FWHM，因此优选地，采用Super SDD探测器来实现X射线探测器61。

本发明第二具体实施例

如图3所示，一种水下光谱复合成像探测系统，包括框体12和计算机，所述框体12的内腔中设有电源系统，所述电源系统分别连接有电子控制模块13、高光谱相机10、卤素灯7、激光拉曼光谱仪62及Nd:YAG激光光源112，所述电子控制模块13分别与高光谱相机10和X射线探测器61连接；

具体地，所述电源系统包括总电源控制模块51、灯光电源控制模块52、设备电源控制模块53，所述总电源控制模块51分别与灯光电源控制模块52、设备电源控制模块53连接，所述设备电源控制模块53分别与电子控制模块13、高光谱相机10、激光拉曼光谱仪62、Nd:YAG激光光源112连接，所述灯光电源控制模块52分别与电子控制模块13、卤素灯7连接；

所述框体12上设有电源电缆接口4、水下定位信标2及光电复合缆缆端接口1，所述总电源控制模块51与电源电缆接口4连接，所述高光谱相机10和激光拉曼光谱仪62均通过光电复合缆缆端接口1与计算机通讯连接。

对于上述的探测系统，其具体工作方法步骤包括有：

S301、开始进行深海海底矿产探测，利用高光谱相机10在卤素灯7照明下对海底进行高光谱成像，从而拍摄获得高光谱图像，并将获得的高光谱图像通过光电复合缆缆端接口1实时传出至计算机上，同时系统当前位置信息也实时传输至计算机上；

S302、计算机对采集到的高光谱图像进行光谱特征参数提取后，将提取出的光谱特征参数与光谱特征数据库中的实况数据进行匹配处理，从而根据匹配结果区分得出大致的化学成分，这样根据得出的大致化学成分及系统当前位置信息，便能得到矿产在海底的大概分布情况，实现普查；

S303、根据得出的大致化学成分及系统当前位置信息，能够初步确定目标矿产所处的重点区域范围；

S304、根据得到的重点区域范围从而控制调整框体12的悬浮位置和高度，从而控制使激光拉曼光谱仪62在Nd:YAG激光光源112的照射下对该重点区域范围进行目标矿产的光谱探测，然后所述激光拉曼光谱仪62将采集到的光谱信息传输至计算机上；

S305、计算机对采集到的光谱信息进行光谱特征参数提取后，利用光谱特征参数与光谱特征数据库中的实况数据进行匹配处理，实现化学成分的分析，从而获得该目标矿产最终的化学成分及含量，实现该目标矿产类型的最终鉴定识别，实现详查。

对于上述对采集到的高光谱图像进行光谱特征参数提取这一步骤，其具体包括：

对采集到的高光谱图像进行预处理，其中，所述的预处理包括降噪处理、背景去除处理和归一化处理；

对预处理后的高光谱图像进行校正和光谱重建，其中，所述的校正包括有几何校正或辐射校正；

对重建后得到的光谱数据进行光谱特征参数提取。

利用降维方法来对重建后得到的光谱数据进行光谱特征参数提取，其中，所述的降维方式包括有主分量分析PCA和独立成分分析ICA。

而对于步骤S302中所述的将提取出的光谱特征参数与光谱特征数据库中的实况数据进行匹配处理，从而根据匹配结果区分得出大致的化学成分这一步骤，其主要是：将提取出的光谱特征参数与光谱特征数据库中的实况数据进行匹配处理，从而实现光谱特征识别、光谱匹配识别、波形特征识别、混合像元识别，然后根据识别结果区分得出矿产的大致化学成分，实现矿物的类别初步区分。

在步骤S301前还设有光谱特征数据库建立这一步骤，其具体包括：

利用激光拉曼光谱仪62和高光谱相机10对样品矿物进行光谱探测；

根据观测配套参数从激光拉曼光谱仪62获取光谱信息以及从高光谱相机10获取高光谱图像；

对获得的光谱信息进行预处理，具体为，进行反射率转换和滤波处理；

对获得的高光谱图像进行预处理，具体为，进行降噪、背景去除、归一化、几何校正、辐射校正处理等；

对预处理后的光谱信息和高光谱图像进行光谱特征提取并将提取出的光谱特征参数进行参量化，然后根据参量化后得到的数据从而建立出光谱特征数据库，其中，在建立时，会进行光谱特征与目标属性参数之间关系的建模，以达到根据光谱特征来进行物质区分的目的。

由上述可得，通过使用本发明的探测系统能实现无接触地对海底矿产进行快速探测的功能，而且由于激光拉曼光谱仪本身不仅可针对深海海底里的矿产进行化学成分含量分析，还可对深海海底里的岩石、间隙水、冷泉或热液、微生物席和海底溢出气体等进行化学成分含量分析，因此，通过采用激光拉曼光谱仪便能实现对深海海底固、液、气态目标物的水下原位化学快速探测，海底探测所探测的种类更多样化。所述激光拉曼光谱仪62为深紫外激光拉曼光谱仪。

对于上述的Nd:YAG激光光源112，由于深海中，荧光影响小，因此其优选可采用波长为532nm的Nd:YAG激光器来实现。而对于所述的激光拉曼光谱仪62，其则可优选采用美国激光拉曼光谱仪AvaRaman-532TEC来实现。

本发明第三具体实施例

如图4所示，一种水下光谱复合成像探测系统，包括框体12和计算机，所述框体12的内腔中设有电源系统，所述电源系统分别连接有电子控制模块13、高光谱相机10、卤素灯7、高清摄像机63及近紫外LED灯113，所述电子控制模块13分别与高光谱相机10和高清摄像机63连接；

具体地，所述电源系统包括总电源控制模块51、灯光电源控制模块52、设备电源控制模块53，所述总电源控制模块51分别与灯光电源控制模块52、设备电源控制模块53连接，所述设备电源控制模块53分别与电子控制模块13、高光谱相机10、高清摄像机63连接，所述灯光电源控制模块52分别与电子控制模块13、近紫外LED灯113、卤素灯7连接；

所述框体12上设有电源电缆接口4、水下定位信标2及光电复合缆缆端接口1，所述总电源控制模块51与电源电缆接口4连接，所述高光谱相机10和高清摄像机63均通过光电复合缆缆端接口1与计算机通讯连接。

对于上述的探测系统，其具体工作方法步骤包括有：

S401、开始进行深海海底矿产探测，利用高光谱相机10在卤素灯7照明下对海底进行高光谱成像，从而拍摄获得高光谱图像，并将获得的高光谱图像通过光电复合缆缆端接口1实时传出至计算机上，同时系统当前位置信息也实时传输至计算机上；

S402、计算机对采集到的高光谱图像进行光谱特征参数提取后，将提取出的光谱特征参数与光谱特征数据库中的实况数据进行匹配处理，从而根据匹配结果区分得出大致的化学成分，这样根据得出的大致化学成分及系统当前位置信息，这样结合系统当前位置信息，便能得到矿产在海底的大概分布情况，实现普查；

S403、根据得出的大致化学成分及系统当前位置信息，能够初步确定目标矿产所处的重点区域范围；

S404、根据得到的重点区域范围从而控制调整框体12的悬浮位置和高度，从而控制使高清摄像机63在近紫外LED灯113的光照下对该重点区域范围进行目标矿产的光谱探测，然后所述高清摄像机63将采集到的紫外荧光光谱信息传输至计算机上，同时，利用高光谱相机10在近紫外LED灯113的光照下对对该重点区域范围进行高光谱成像，从而采集得到相对应的紫外荧光高光谱图像，将所述紫外荧光光谱信息和紫外荧光高光谱图像传输至计算机；

S405、计算机对采集到的紫外荧光光谱信息和紫外荧光高光谱图像进行光谱特征参数提取后，利用提取出的光谱特征参数与光谱特征数据库中的实况数据进行匹配综合处理，从而对颜色相近的矿产物质进行区分，实现该目标矿产类型的最终鉴定识别，实现详查。

对于上述对采集到的高光谱图像进行光谱特征参数提取这一步骤，其具体包括：

对采集到的高光谱图像进行预处理，其中，所述的预处理包括降噪处理、背景去除处理和归一化处理；

对预处理后的高光谱图像进行校正和光谱重建，其中，所述的校正包括有几何校正或辐射校正；

对重建后得到的光谱数据进行光谱特征参数提取。

利用降维方法来对重建后得到的光谱数据进行光谱特征参数提取，其中，所述的降维方式包括有主分量分析PCA和独立成分分析ICA。

而对于步骤S402中所述的将提取出的光谱特征参数与光谱特征数据库中的实况数据进行匹配处理，从而根据匹配结果区分得出大致的化学成分这一步骤，其主要是：将提取出的光谱特征参数与光谱特征数据库中的实况数据进行匹配处理，从而实现光谱特征识别、光谱匹配识别、波形特征识别、混合像元识别，然后根据识别结果区分得出矿产的大致化学成分，实现矿物的类别初步区分。

在步骤S401前还设有光谱特征数据库建立这一步骤，其具体包括：

利用高清摄像机63和高光谱相机10对样品矿物进行光谱探测，其中，令高光谱相机10分别在卤素灯7的光照下和近紫外LED灯113的光照下，对样品矿物进行高光谱成像，从而采集得到相对应的高光谱图像，令高清摄像机63在近紫外LED灯113的光照下对样品矿产进行光谱探测，从而采集得到相对应的光谱信息；

根据观测配套参数从高清摄像机63获取光谱信息以及从高光谱相机10获取高光谱图像；

对获得的光谱信息进行预处理；

对获得的高光谱图像进行预处理，具体为，进行降噪、背景去除、归一化、几何校正、辐射校正处理等；

对预处理后的光谱信息和高光谱图像进行光谱特征提取并将提取出的光谱特征参数进行参量化，然后根据参量化后得到的数据从而建立出光谱特征数据库，其中，在建立时，会进行光谱特征与目标属性参数之间关系的建模，以达到根据光谱特征来进行物质区分的目的。

由上述可得，通过使用本发明的探测系统能实现无接触地对海底矿产进行快速探测的功能，而且结合高光谱相机和高清摄像机在紫外荧光下的探测，还能对颜色相近的物质进行有效的区分，大大提高目标矿产所属类型的识别准确率。

对于上述的近紫外LED灯113，为了提高照明效果，其可优选采用多个功率为50W，且中心波长为365nm的近紫外LED灯，为紫外荧光成像提供均匀的照明。而对于所述的高清摄像机63，由于运载工具在拖曳式工作时为近海底约3m的高度前进，因此优选采用在1～5m范围内可快速自动聚焦的彩色摄像头2只来实现，这与单摄像头相比，多摄像头可实现不同角度的海底摄像便于形成立体图像，为后期的计算机三维图像反演创造可能。具体地，所述高清摄像机63采用型号为AvaRaman-532TEC的高清摄像机来实现。

作为上述三个实施例的优选实施方式，所述框体12上还设有声学释放器3，所述框体12的底部设有配重底座8，所述框体12内腔的顶部设有浮力材料层9。所述声学释放器3应用于水下应急救援系统中，当发生水下事故时，所述声学释放器3可遥控释放配重底座8，这样探测系统在浮力材料层9所提供的浮力的作用下上升到海面。

作为上述三个实施例的优选实施方式，所述高光谱相机10包括高光谱相机主体和密封罐，所述密封罐上设有观察窗口，所述高光谱相机主体设置在密封罐的内腔中，所述高光谱相机主体的镜头朝向观察窗口。所述密封罐采用了合金钢材料而制成的。

作为上述三个实施例的优选实施方式，所述观察窗口采用钢化硼硅酸盐玻璃来实现。

作为上述三个实施例的优选实施方式，所述钢化硼硅酸盐玻璃的内壁设有氟化镁增透膜。

作为上述三个实施例的优选实施方式，还包括水密接插件，所述高光谱相机主体通过水密接插件与光电复合缆缆端接口连接。优选地，所述水密接插件为SUBCON以太网水密接插件。

作为上述三个实施例的优选实施方式，在进行高光谱成像时，应选取400nm～730nm波段进行高光谱成像，且光谱分辨率为1nm，光谱通道数达到330个，因此，所述高光谱相机10采用光谱分辨率为0.1nm～3nm、光谱覆盖范围为400nm～1000nm、最大波段数为350个波段以上的高光谱相机来实现，便能很好地满足要求，并留有部分波段冗余，以便于后期可根据需求对光谱覆盖范围或分辨率进行调整。优选地，所述高光谱相机具体为荷兰Quest-innovations Hyperea 660 C3高光谱相机。另外，利用高光谱相机10进行成像时，可优选采用推扫型成像方式，像元配准好，不同波段任何时候均凝视同一像元，相机的二维图像与高光谱信息一一对应，这样高光谱图像便可实现完美的空间拼接。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种水下光谱复合成像探测系统，其特征在于：包括框体和计算机，所述框体的内腔中设有电源系统，所述电源系统分别连接有电子控制模块、高光谱相机、卤素灯、协查光谱探测器及协查光源或协查射线源，所述电子控制模块分别与高光谱相机和协查光谱探测器连接；所述框体上设有电源电缆接口、水下定位信标及光电复合缆缆端接口，所述电源系统与电源电缆接口连接，所述高光谱相机和协查光谱探测器均通过光电复合缆缆端接口从而与计算机通讯连接；

所述高光谱相机，用于进行高光谱成像，从而采集获得高光谱图像，然后将采集到的高光谱图像传输至计算机；

所述协查光谱探测器，用于进行光谱探测，从而采集获得光谱信息，然后将采集到的光谱信息传输至计算机；

所述计算机，用于利用光谱特征数据库来对采集到的高光谱图像和光谱信息进行光谱匹配识别，从而实现矿物的识别；

所述计算机包括：

高光谱图像识别模块，用于对采集到的高光谱图像进行光谱特征参数提取后，将提取出的光谱特征参数与光谱特征数据库中的实况数据进行匹配处理，从而根据匹配结果获得相对应的化学成分；

粗定位模块，用于根据得出的化学成分以及获得的系统当前位置信息，从而确定目标矿物所处的区域范围；

控制模块，用于控制协查光谱探测器对该区域范围进行光谱探测；

光谱信息识别模块，用于对采集到的光谱信息进行光谱特征参数提取后，利用光谱特征参数与光谱特征数据库中的实况数据进行匹配处理，从而获得最终的化学成分及含量或者对颜色相近的物质进行区分，以实现矿产的识别。

2.根据权利要求1所述一种水下光谱复合成像探测系统，其特征在于：所述对采集到的高光谱图像进行光谱特征参数提取，其具体包括：

对采集到的高光谱图像进行预处理，其中，所述的预处理包括降噪处理、背景去除处理和归一化处理；

对预处理后的高光谱图像进行校正和光谱重建；

对重建后得到的光谱数据进行光谱特征参数提取。

3.根据权利要求1或2所述一种水下光谱复合成像探测系统，其特征在于：所述协查光谱探测器为X射线探测器，所述协查射线源为X射线源，

或，所述协查光谱探测器为激光拉曼光谱仪，所述协查光源为Nd:YAG激光光源，

或，所述协查光谱探测器为高清摄像机，所述协查光源为近紫外LED灯。

4.根据权利要求3所述一种水下光谱复合成像探测系统，其特征在于：所述电源系统包括总电源控制模块、灯光电源控制模块及设备电源控制模块，所述总电源控制模块分别与电源电缆接口、灯光电源控制模块及设备电源控制模块连接，所述设备电源控制模块分别与电子控制模块、高光谱相机及协查光谱探测器连接，所述灯光电源控制模块分别与电子控制模块和卤素灯连接；

当所述协查射线源为X射线源，或所述协查光源为Nd:YAG激光光源时，所述X射线源或Nd:YAG激光光源与设备电源控制模块连接；

当所述协查光源为近紫外LED灯时，所述近紫外LED灯与灯光电源控制模块连接。

5.根据权利要求1或2所述一种水下光谱复合成像探测系统，其特征在于：所述框体上还设有声学释放器，所述框体的底部设有配重底座，所述框体内腔的顶部设有浮力材料层。

6.一种水下光谱复合成像探测方法，其特征在于：该方法包括：

对海底进行高光谱成像，从而采集获得高光谱图像，并将采集到的高光谱图像传输至计算机上；

计算机对采集到的高光谱图像进行光谱特征参数提取后，将提取出的光谱特征参数与光谱特征数据库中的实况数据进行匹配处理，从而根据匹配结果获得相对应的化学成分；

根据得出的化学成分以及获得的系统当前位置信息，从而确定目标矿物所处的区域范围；

控制协查光谱探测器对该区域范围进行光谱探测，然后所述协查光谱探测器将采集到的光谱信息传输至计算机上；

计算机对采集到的光谱信息进行光谱特征参数提取后，利用光谱特征参数与光谱特征数据库中的实况数据进行匹配处理，从而获得最终的化学成分及含量或者对颜色相近的物质进行区分，以实现矿产的识别。

7.根据权利要求6所述一种水下光谱复合成像探测方法，其特征在于：所述对采集到的高光谱图像进行光谱特征参数提取这一步骤，其具体包括：

对采集到的高光谱图像进行预处理，其中，所述的预处理包括降噪处理、背景去除处理和归一化处理；

对预处理后的高光谱图像进行校正和光谱重建；

对重建后得到的光谱数据进行光谱特征参数提取。

8.根据权利要求6或7所述一种水下光谱复合成像探测方法，其特征在于：该方法还包括光谱特征数据库建立这一步骤，所述光谱特征数据库建立这一步骤具体包括：

根据观测配套参数从协查光谱探测器获取光谱信息以及从高光谱相机获取高光谱图像；

对获得的光谱信息和高光谱图像分别进行预处理；

对预处理后的光谱信息和高光谱图像进行光谱特征提取并将提取出的光谱特征参数进行参量化，然后根据参量化后得到的数据从而建立出光谱特征数据库。

9.根据权利要求8所述一种水下光谱复合成像探测方法，其特征在于：所述对获得的光谱信息进行预处理器这一步骤，其具体为：对获得的光谱信息进行反射率转换和滤波处理。