CN106644077B - 高精度视场匹配的主被动立体光谱成像装置及其探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高精度视场匹配的主被动立体光谱成像装置及其探测方法。该装置包括一个前置镜组、光路折返及分束组件、三线阵立体成像光谱仪组件和全波形激光雷达组件，全波形激光雷达与三线阵立体成像光谱仪的视场匹配。利用三线阵立体成像光谱仪结合搭载平台一维推扫运动，可以获得观测目标的高精度二维图像信息、高精度光谱信息和较低精度的高程信息；全波形激光雷达可以同步获取高精度高程信息和低精度空间分辨率。利用全波形激光雷达组件的高精度高程信息进行对同一视场地面像元的高程信息进行标定，最终可以获得高精度的三维空间信息和高精度的光谱信息。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种光谱成像装置与方法，尤其涉及一种高精度视场匹配立体光谱成像探测装置及其探测方法。
背景技术
光谱成像技术不仅可以获得地物目标的两维空间信息，还能获得目标的光谱信息，是一种图谱合一的探测技术，立体光谱成像技术是三维成像技术，光谱成像技术的综合应用技术。立体光谱成像技术不仅探测目标的三维空间信息，还可以获得目标的光谱信息，是一种多维信息获取技术。立体光谱成像技术获得光谱信息和三维空间信息更够更好的表述地物的大小、位置，为地物目标的识别、准确定位提供一种有效探测手段。立体光谱成像技术一般采用多种仪器综合获取光谱信息、三维空间信息，仪器之间的视场难以配准融合，为后期的图像处理带来困难，因此研制一种高精度视场匹配的立体光谱成像系统具有重要意义。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提供了一种立体光谱成像装置与方法，用于探测地物目标的高精度三维空间信息和光谱信息。
该装置搭载在一维运动平台上使用，三线阵立体成像光谱仪沿着平台运动方向进行推扫，直接获得观测目标的高精度图像信息、高精度光谱信息，利用空间前方交会原理计算得到观测目标的低精度高程信息；全波形激光雷达利用激光测距原理可以获得观测目标的高精度高程信息，但受到激光功耗限制无法应用激光阵列，空间分辨率不高。
本发明的技术解决方案是提供一种高精度视场匹配的主被动立体光谱成像装置，其特殊之处在于：
包括一个前置镜组、光路折返及分束组件、三线阵立体成像光谱仪组件和全波形激光雷达组件；
为了保证前后视成像光谱仪构成的前方交会测量系统具有较大的基线高度比，上述前置镜组为大视场高透过率双高斯镜组，大视场为沿推扫方向的大视场，以基高比不小于0.4计算，得到沿推扫视场优于24度；
上述三线阵立体成像光谱仪组件包括前视成像光谱仪、中视成像光谱仪与后视成像光谱仪；上述前视成像光谱仪、中视成像光谱仪、后视成像光谱仪可以为任何类型的带狭缝的线视场成像光谱仪，包括色散型、干涉型成像光谱仪；前视成像光谱仪、中视成像光谱仪与后视成像光谱仪的视场具有一定夹角，该夹角约等于前置镜组沿推扫方向的视场角的二分之一；
上述的光路折返及分束组件，包括两个反射镜和一个分束器；上述反射镜实现前置镜输出光路的折返，为前视成像光谱仪和后视成像光谱仪其它镜组及探测器提供足够的安装空间；
上述全波形激光雷达组件包括激光发射系统与激光接收系统；
上述中视成像光谱仪与全波形激光雷达共视场；全波形激光雷达组件的探测器单元和中视成像光谱仪的线阵地面像元为一对多对应关系；即一个全波形激光雷达组件的探测器单元的视场对应中视光谱仪上若干个地面像元的组合视场；
激光发射系统发射激光脉冲并触发前视成像光谱仪、中视成像光谱仪、后视成像光谱仪曝光，同时触发激光回波接收系统接收激光回波信号；
宽谱段光源经过前置镜组分成三束光，前方视场入射光束经过反射镜折返后进入到前视成像光谱仪，前视成像光谱仪获取前方线性视场的图谱信号；后方视场入射光束经过反射镜折返后进入到后视成像光谱仪，后视成像光谱仪获取后方线性视场的图谱信号；中间视场入射光束经过分束器，其中可见光波段经过分束器后形成透射光束，被中视成像光谱仪接收；1055nm激光经过分束器后形成反射光束，被激光回波接收系统接收。
上述激光发射系统为多波束激光发射系统，包括多个光纤激光器，激光整形镜组，激光脉冲驱动电路，电源模块、多传感器同步触发系统和温度稳定模块；
若干个光纤激光器输出的激光经过激光整形光学系统整形成一个垂直于平台移动方向的线性视场，该线性视场与中视光谱成像光谱仪的接收视场重叠；
多传感器同步触发系统的功能一是根据搭载平台对地飞行速度计算系统的工作帧频；功能二是控制激光脉冲的发射，触发前视、中视、后视成像光谱仪同步曝光，同时触发全波形激光雷达同步接收激光回波信号。
上述激光接收系统包括接收微透镜阵列，APD线阵激光探测器，跨组放大器，差分放大器，AD转换电路与电源；
微透镜阵列将激光回波进行汇聚，使激光回波能量集中在APD线阵激光探测器上，APD线阵激光探测器的每个探测单元对应中视成像光谱仪中若干个地面像元，跨组放大器，差分放大器完成APD探测单元信号的低噪声放大，AD转换电路将放大的模拟信号转换成数字信号。
本发明还提供了一种基于上述的高精度视场匹配的主被动立体光谱成像装置的地物目标三维空间信息和一维光谱信息的探测方法，具有以下步骤：
一、计算系统参数
1.1、多传感器同步触发系统根据搭载平台的高度和主被动立体光谱成像系统的焦距、像元尺寸，计算立体光谱成像系统的空间分辨率；根据主被动立体光谱成像系统的空间分辨率及搭载平台的速度，计算并设置主被动立体光谱成像系统帧频；
1.2、按照光在空气中的传播速度，根据下式计算激光回波信号的持续时间：(搭载平台的高度+地面地物的高度差*2)/300，单位为微秒；其中平台的高度和地面地物的高度差单位为米；激光接收时间略大于等于激光回波时间，保证全波形雷达信号能够被完整接收；
二、主被动立体光谱成像系统获得图谱信息及激光回波信号
2.1、多传感器同步触发系统触发激光发射系统发射激光脉冲信号，同时开始计时，激光脉冲信号经过激光整形系统整形之后，均匀的覆盖中视成像光谱仪的整个视场；
2.2、当计时时间为(搭载平台高度/300)微秒时，多传感器同步触发系统触发前视、中视、后视成像光谱仪开始曝光，同时激光接收系统开始接收激光回波信号；
2.3、前视，中视、后视成像光谱仪依次分别获取垂直于推扫方向的线视场图谱信息；随着搭载平台的运动，前视、中视、后视成像光谱仪获取的线视场图谱信息沿推扫方向进行拼接，形成地物的不同观测角度的图谱信息；
2.4、APD线阵激光探测器获取与中视成像光谱仪同视场的激光回波信号；
三、获得较低精度的高程信息
利用图像特征匹配方法或光谱特征匹配的方法找出步骤2.3获得的前视和后视图谱数据中的同名像对，所谓同名像对即为两幅图像中对应同一个地面像元的两个像素，因为对应同一地元，所以两个像素的图像特征和光谱特征相同)。根据前视图像、后视图像两个摄点的外方位元素和前后视图像内方位元素，按照空间前方交会原理，计算同名像对对应的地面像元的三维空间信息，根据空间前方交会原理的误差公式可知，该方法能够获得高精度的两维平面信息和低精度的高程信息。根据误差公式估算高程信息测量误差范围；
四、全激光雷达系统获得高精度高程信息
全波形雷达回波信号为重叠或独立的高斯信号组成的序列，每个高斯信号对应一个地物，全波形雷达每发射一次激光脉冲信号，激光接收系统接收整个视场内所有地物分别返回的回波信号，通过对激光接收系统接收的所有地物的回波信号的波形进行高斯分解，根据高斯回波和原始发射激光脉冲之间的时间差，解析出所有地物的高精度高程信息；
五、获得高精度的三维空间信息和光谱信息
利用激光接收系统获得的高精度高程信息对步骤三中的低精度高程信息进行校正；最终整个系统可以获得高精度的三维空间信息和光谱信息。
优选的上述步骤五具体为：
a、将前视或后视成像光谱仪图谱数据与中视成像光谱仪图谱数据进行匹配，寻找前视或后视成像光谱仪在中视成像光谱仪中的同名像点；
b、找到同名像点后，根据步骤三得到的较低精度的高程信息，为匹配上的中视成像光谱仪像素点赋值距离/高程值；
c、将中视成像光谱仪中与激光接收系统中的每个APD线阵激光探测器的探测单元对应的若干个像元的距离/高程值按照距离本立体光谱成像系统从近到远顺序排列；
d、将APD线阵激光探测器的探测单元获取的距离/高程序列和同一视场的中视成像光谱仪若干像元的距离/高程序列进行合并，按照距离本立体光谱成像系统从近到远的顺序排列；
e、在步骤d获得的序列中选取一个中视成像光谱仪像素点，在该像素点的低精度高程信息高程测量误差范围内寻找相邻的APD线阵激光探测器探测单元的测量数据，若找到则采用APD线阵激光探测器探测单元的测量数据作为该像素点的最终距离/高程值；若与相邻的APD线阵激光探测器探测单元的测量值之间的差值超出该像素点的低精度高程信息高程测量误差范围，则对该像素点前后两侧相邻的APD线阵激光探测器探测单元测量的距离/高程值取平均值后作为新的相邻值插入到序列中，然后判断该像素点与新相邻值的误差是否在该像素点的低精度高程信息高程测量误差范围内，若不在范围内，则再利用新的前后相邻值进行平均后再插入序列中，直至出现相邻值落入误差范围内。
本发明的优点是：本发明可以获得地物目标的高精度三维空间信息和高精度光谱信息，为地物目标的识别与定位提供多维信息。本发明采用共前置镜的方法，整个装置小型紧凑；前视成像光谱仪、中视成像光谱仪、后视成像光谱仪、全波形激光雷达组件的视场均为线视场；前视成像光谱仪、中视成像光谱仪、后视成像光谱仪组成三线阵立体光谱成像系统，可以获取高平面空间分辨率、低高程分辨率、高光谱分辨率的三维立体空间信息和一维光谱信息；全波形激光雷达获取高分辨的高程信息；中视成像光谱仪与全波形激光雷达在硬件上实现了视场匹配，从而降低了后期数据配准处理难度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为激光发射系统结构示意图；
图3为激光接收系统结构示意图。
图中附图标记为：1-前置镜组件；2-光路折返及分束组件；201-第一反射镜；202-第二反射镜；203-分束器；3-三线阵立体光谱成像系统；301-前视成像光谱仪；302-后视成像光谱仪；303-中视成像光谱仪；4-全波形激光雷达组件；401-激光发射系统；4011-稳流电源一；4012-温控电路；4013-激光脉冲驱动电路；4014-光纤激光；4015-准直透镜；4016-展宽柱面镜；402-激光接收系统；4021-电源二；4022-AD转换电路；4023-差分放大器；4024-跨组放大器；4025-APD线阵激光探测器；4026-微透镜阵列，5-多传感器同步触发组件。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的描述。
该探测系统包括前置镜组1，光路折返及分束组件2，第一反射镜201、第二反射镜202、分束器203、前视成像光谱仪301、中视成像光谱仪302、后视成像光谱仪303、激光发射系统401及激光接收系统402。前置镜组1为大视场高透过率双高斯镜组，沿推扫方向的视场不小于24度，保证三线阵立体成像光谱仪的基高比优于0.4，前置镜组垂直于推扫方向的视场根据系统刈幅宽度和平台飞行高度等要求选取；前置镜组为宽谱段镜组，在可见光(400nm-900nm)至近红外(1055nm)均具有较高透过率；前置镜组为三线阵立体成像光谱仪和全波形激光雷达共同使用。光路折返及分束组件2，对前置镜组输出的三束线视场光线进行光路折叠，中间视场的光线经过分束器后分成两束，可见光(400nm-900nm)透过分束器进入到中视成像光谱仪，1055nm近红外的激光回波经过分束器反射后进入到激光接收系统。
三线阵立体成像光谱仪组件3，包括前视成像光谱仪301、中视成像光谱仪302、后视成像光谱仪303分别接收不同视场的入射光线，构成一个三线阵立体成像光谱仪。同三线阵相机一样，其视场均为线阵视场，随着平台移动，目标信息依次被前视、中视、后视成像光谱仪接收，获得高精度平面空间信息和高精度光谱信息，利用前方空间交会原理，可以得到目标到本系统的距离或高程信息。
全波形激光雷达组件4包括激光发射系统401和激光接收系统402，其中激光发射系统为多波束激光发射系统，若干个光纤激光器输出的激光经过激光整形光学系统整形成一个垂直于平台移动方向的线性视场，该线性视场与中视光谱成像光谱仪的视场完全重叠。激光发射系统还包括激光脉冲驱动电路4013，稳流电源一4011、温控电路4012等，保证激光脉冲信号的发射和波长的稳定性。激光接收系统402接收激光回波信号，激光接收系统包括接收微透镜阵列4026，APD线阵激光探测器4025，两级放大电路，AD转换电路4022。微透镜阵列将激光回波进行汇聚，使激光回波能量集中在APD线阵激光探测器上，APD的每个探测单元对应中视成像光谱仪中的若干个地面像元。两级放大电路完成APD探测单元信号的低噪声放大，AD转换电路将放大的模拟信号转换成数字信号。
激光发射系统发射激光脉冲的频率与成像光谱仪的帧频严格一致，当搭载平台移动到新的位置，激光发射系统发射一个激光脉冲，然后三台成像光谱仪开始曝光，激光回波接收系统同时接收激光回波信号，激光脉冲回波经过地物反射后到达探测系统，根据回波可以计算对应视场内所有地物的高精度高程信息序列。中视光谱仪像元的低精度高程信息，经过对应视场的高程信息序列的拟合校正，得到高精度高程信息。
下面以图1为实施例，说明本发明的结构特征，技术性能和效果。本实施例中，搭载平台移动到一个位置后，激光发射系统401发射一个激光脉冲，激光脉冲经过激光整形镜组后，其远方视场被整形成长条状均匀光斑，其大小略大于中视成像光谱仪303的视场，并完全覆盖中视光谱仪303的视场。多传感器同步触发组件5触发激光发射系统401发射一个激光脉冲，然后触发前视成像光谱仪301、中视成像光谱仪303和后视成像光谱仪302开始曝光和激光回波接收系统402开始接收激光回波信号。可见光波段(400-900nm)至近红外波段1055nm的光线经过前置镜组1分成三束光，前方视场入射光束经过反射镜201折返后进入到前视成像光谱仪301，获取前方线性视场的图谱信号；后方视场入射光束经过反射镜202折返后进入到后视成像光谱仪302，获取后方线性视场的图谱信号；中间视场入射光束经过分束器203分成两束，其中可见光波段(400-900nm)经过分束器后形成透射光束，被中视成像光谱仪303接收；近红外波段1055nm的激光回波经过分束器后形成反射光束，被激光回波接收系统402接收。
三个成像光谱仪帧频可以通过以下公式计算：
帧频＝搭载平台沿推扫方向的速度/成像光谱仪像元的空间分辨率。
搭载平台沿着推扫方向运动，根据平台沿推扫方向速度实时调整成像光谱仪帧频。
激光脉冲发射频率和激光回波接收系统的接收启动频率与相机帧频严格一致，因此需要同时进行调整。
前视、后视成像光谱仪的图谱数据分别经过拼接，形成数据立方体。首先需要寻找两个数据立方体中的同名像对，即同一地面像元在两个数据立方体中对应的像素点。根据摄影测量坐标系和图像内外方位元素，采用空间前方交会原理，计算同名像对对应的地面像元到本系统的距离或高程信息。
中视成像光谱仪与全波形激光雷达组件的视场相同。全波形激光雷达回波接收系统中的线阵雪崩二极管(APD)的一个探测单元对应中视成像光谱仪的若干个像元，对APD的探测单元输出波形进行高斯分解，得到一系列地物的距离/高程信息，其排列为从近到远的顺序；前后视成像光谱仪图谱数据与中视成像光谱仪图谱数据进行匹配，匹配可以使用图像特征也可以使用光谱特征，为匹配上的像元赋值距离/高程值。将中视成像光谱仪中与APD探测单元对应的若干个像元的距离/高程值按照距离本系统从近到远的顺序排列。
全波形激光雷达探测单元获取的距离/高程序列和同一视场的中视成像光谱仪若干像元的距离/高程序列进行合并，仍按照距离本系统从近到远的顺序。
对于中视成像光谱仪中的每一个像元，在其测量误差范围内寻找相邻的激光雷达测量值，采用全波形激光雷达测量数据作为该像元的最终距离/高程值。若与相邻值之间的差超出测量误差范围，则对前后两侧相邻的激光雷达距离/高程值取平均后作为新的相邻值插入到序列中，然后判断与新相邻值的误差是否在测量误差范围内，若没在范围内继续平均前后相邻激光雷达的距离/高程值，直至相邻值落入误差范围内，取最接近像元初始距离/高程值的相邻值作为该像元的高精度距离/高程值。
Claims (6)
1.一种高精度视场匹配的主被动立体光谱成像装置，其特征在于：包括一个前置镜组、光路折返及分束组件、三线阵立体成像光谱仪组件和全波形激光雷达组件；
所述前置镜组为大视场高透过率双高斯镜组；
所述三线阵立体成像光谱仪组件包括前视成像光谱仪、中视成像光谱仪与后视成像光谱仪；所述前视成像光谱仪、中视成像光谱仪、后视成像光谱仪均为带狭缝的线视场成像光谱仪；前视成像光谱仪、中视成像光谱仪与后视成像光谱仪的视场有夹角；
所述的光路折返及分束组件，包括两个反射镜和一个分束器；
所述全波形激光雷达组件包括激光发射系统与激光接收系统；
所述中视成像光谱仪与全波形激光雷达组件共视场；全波形激光雷达组件的探测器单元的视场对应中视成像光谱仪上若干个地面像元的组合视场；
激光发射系统发射激光脉冲并触发前视成像光谱仪、中视成像光谱仪、后视成像光谱仪曝光，同时触发激光接收系统接收激光回波信号；
前置镜组将宽谱段光源分成三束光，前方视场入射光束经过反射镜折返进入前视成像光谱仪，前视成像光谱仪获取前方线性视场的图谱信号；后方视场入射光束经过反射镜折返进入后视成像光谱仪，后视成像光谱仪获取后方线性视场的图谱信号；中间视场入射光束经过分束器，分成两束，其中可见光波段经过分束器后形成透射光束，近红外波段1055nm的激光回波经过分束器后形成反射光束，反射光束进入激光接收系统，透射光束进入中视成像光谱仪。
2.根据权利要求1所述的高精度视场匹配的主被动立体光谱成像装置，其特征在于：所述激光发射系统为多波束激光发射系统，包括多个光纤激光器，激光整形镜组，激光脉冲驱动电路，电源模块，多传感器同步触发系统和温度稳定模块；
光纤激光器输出的激光经过激光整形镜组整形成一个垂直于搭载平台移动方向的线性视场，该线性视场与中视光谱成像光谱仪的接收视场重叠；多传感器同步触发系统根据搭载平台对地飞行速度信息计算系统帧频，并控制激光脉冲的发射，触发前视、中视、后视成像光谱仪同步曝光，同时触发激光接收系统同步接收激光回波信号。
3.根据权利要求1所述的高精度视场匹配的主被动立体光谱成像装置，其特征在于：所述激光接收系统包括接收微透镜阵列，APD线阵激光探测器，跨组放大器，差分放大器，AD转换电路与电源；
所述微透镜阵列将激光回波进行汇聚，使激光回波能量集中在APD线阵激光探测器上，所述APD线阵激光探测器的每个探测单元对应中视成像光谱仪中的若干个地面像元，所述跨组放大器与差分放大器对APD线阵激光探测器探测单元输出信号进行低噪声放大，所述AD转换电路将放大信号转换成数字信号。
4.基于权利要求1所述的高精度视场匹配的主被动立体光谱成像装置的探测方法，其特征在于：具有以下步骤：
一、计算系统参数
1.1、多传感器同步触发系统根据搭载平台的高度和主被动立体光谱成像系统的焦距、像元尺寸，计算立体光谱成像系统的空间分辨率；根据主被动立体光谱成像系统的空间分辨率及搭载平台的速度，计算并设置主被动立体光谱成像系统帧频；
1.2、根据下式计算激光回波信号的持续时间：(搭载平台的高度+地面地物的高度差*2)/300，单位为微秒；
二、主被动立体光谱成像系统获得图谱信息及激光回波信号
2.1、多传感器同步触发系统触发激光发射系统发射激光脉冲信号，同时开始计时，激光脉冲信号经过激光整形系统整形之后，均匀的覆盖中视成像光谱仪的整个视场；
2.2、当计时时间为(搭载平台高度/300)微秒时，多传感器同步触发系统触发前视、中视、后视成像光谱仪开始曝光，同时激光接收系统开始接收激光回波信号；
2.3、前视，中视、后视成像光谱仪依次分别获取垂直于推扫方向的线视场图谱信息；随着搭载平台的运动，前视、中视、后视成像光谱仪获取的线视场图谱信息沿推扫方向进行拼接，形成地物的不同观测角度的图谱信息；
2.4、APD线阵激光探测器获取与中视成像光谱仪同视场的激光回波信号；
三、获得较低精度的高程信息
利用图像特征匹配方法或光谱特征匹配的方法找出步骤2.3获得的前视和后视图谱数据中的同名像对，按照空间前方交会原理，计算同名像对对应的地面像元的三维空间信息，获得高精度的两维平面信息和低精度的高程信息；根据误差公式估算高程信息测量误差范围；
四、全激光雷达系统获得高精度高程信息
对激光接收系统接收的回波信号进行高斯分解，解析出地物的高精度高程信息；
五、获得高精度的三维空间信息和光谱信息
利用激光接收系统获得的高精度高程信息对步骤三中的低精度高程信息进行校正；最终整个系统可以获得高精度的三维空间信息和光谱信息。
5.根据权利要求4所述的高精度视场匹配的主被动立体光谱成像装置的探测方法，其特征在于：所述步骤五具体为：
a、将前视或后视成像光谱仪图谱数据与中视成像光谱仪图谱数据进行匹配，寻找前视或后视成像光谱仪在中视成像光谱仪中的同名像点；
b、找到同名像点后，根据步骤三得到的较低精度的高程信息，为匹配上的中视成像光谱仪像素点赋值距离/高程值；
c、将中视成像光谱仪中与激光接收系统中的每个APD线阵激光探测器探测单元对应的若干个像元的距离/高程值按照距离本立体光谱成像系统从近到远顺序排列；
d、将APD线阵激光探测器的探测单元获取的距离/高程序列和同一视场的中视成像光谱仪若干像元的距离/高程序列进行合并，按照距离本立体光谱成像系统从近到远的顺序排列；
e、在步骤d获得的序列中选取一个中视成像光谱仪像素点，在该像素点的低精度高程信息高程测量误差范围内寻找相邻的APD线阵激光探测器探测单元的测量数据，若找到则采用APD线阵激光探测器探测单元的测量数据作为该像素点的最终距离/高程值；若与相邻的APD线阵激光探测器探测单元的测量值之间的差值超出该像素点的低精度高程信息高程测量误差范围，则对该像素点前后两侧相邻的APD线阵激光探测器探测单元测量的距离/高程值取平均值后作为新的相邻值插入到序列中，然后判断该像素点与新相邻值的误差是否在该像素点的低精度高程信息高程测量误差范围内，若不在范围内，则再利用取平均值后的前后相邻值进行平均后再插入序列中，直至出现相邻值落入误差范围内。
6.根据权利要求4所述的高精度视场匹配的主被动立体光谱成像装置的探测方法，其特征在于：激光接收回波信号的时间等于激光回波信号的持续时间。
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