CN107121192A - 一种镜头扫描模式高光谱成像系统及旋翼无人机 - Google Patents
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Abstract
一种镜头扫描模式高光谱成像系统及旋翼无人机，包括依次设置且与主光轴同轴的成像镜头、成像光谱仪和面阵列探测器，所述成像光谱仪和面阵列探测器连接并固定，还包括用于驱动成像镜头相对于成像光谱仪的狭缝所在平面进行水平移动的驱动装置，成像镜头在移动过程中形成镜头扫描模式。本发明克服了现有高光谱成像系统中成像镜头只能固定不动的技术偏见，并通过镜头扫描模式使目标对象与成像光谱仪之间产生相对运动，从而实现成像，很好地解决了现有采用狭缝扫描模式以及转镜扫描模式的高光谱成像系统易产生的图像畸变问题，将本发明应用于旋翼无人机，还可解决无人机重心不稳而导致的图像畸变问题，适于在高空及较大拍摄范围的环境下使用。
Description
技术领域
本发明属于旋翼无人机高光谱成像技术领域，具体涉及一种镜头扫描模式高光谱成像系统及旋翼无人机。
背景技术
高光谱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。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，由此而构成一条完整而且连续的光谱曲线。
成像光谱仪的工作原理是，被测物体通过镜头后被面阵列探测器捕获，得到一个一维的影像以及相应的光谱信息，而当电控移动平台(或传送带)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。
高光谱成像系统是将成像光谱仪和面阵列探测器完整的结合在一起的系统。成像系统每次只成目标上一条线的像，成像光谱仪对进入狭缝的入射光进行分光，分光使每个光谱成分对应面阵列探测器线阵上的一个像素点。因此，每一幅来自面阵列探测器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列探测器上，需要目标物和成像系统之间有一个相对的运动。这样，通过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高光谱数据立方体。
高光谱成像系统的扫描模式主要有狭缝扫描模式和转镜扫描模式。狭缝扫描模式下，成像光谱仪和面阵列探测器组合后固定在二维平移扫描机构上，成像镜头单独固定在封装外壳上，狭缝扫描模式每次只能够呈现目标对象上的一条线，通过在平移机构带动下运动的光谱成像仪和面阵列探测器与成像镜头之间产生相对运动来完成图像的拼接。转镜扫描模式下，成像镜头、成像光谱仪和面阵列探测器完整的结合在一起，固定在系统内，三者之间无任何相对运动。转镜扫描模式每次也都只能够呈现目标对象上的一条线，通过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，再通过成像光谱仪分光，最后将被测物体的像呈在面阵列探测器上。
目前，利用无人机进行高光谱图像采集的方式中，使用的是固定翼飞行器挂载成像仪设备，将飞行器的飞行作为系统平移机构，当飞行器不能够保证足够的平稳，采集的图像就会发生变形，因此，通常需要在惯导系统，图像修正，飞行姿态修正，图像拼接，飞行速度方面做大量的工作，技术难度非常大，对于特定行业应用非常的复杂。而利用旋翼飞行器作为成像设备的载物台，通过无线传输对旋翼飞行器飞行姿态进行远程控制，使旋翼无人机飞、停至指定区域位置后再进行高光谱图像采集。
将狭缝扫描模式的成像系统搭载于旋翼无人机上时，二维平移机构会带动成像光谱仪和面阵列探测器在其中的一维空间上运动(运动扫描维度上)，这样，整个搭载于旋翼无人机上的成像系统在随着扫描机构运行的过程中，其重心位置会发生偏移。在旋翼无人机起飞之前，成像系统是在没有运行的情况下与三轴无刷云台完成重心调试的。在空中进行数据采集时，成像光谱仪的重心会发生偏移，导致采集到的图像出现畸变。
将转镜扫描模式的成像系统搭载于旋翼无人机上时，该模式虽然能够避免由于无人机的飞行不稳定(气流、风等环境影响)以及系统重心发生偏移后带来的晃动(狭缝扫描模式时，随着扫描过程的进行，系统的重心会发生偏移)等因素对图像产生的影响，但是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是不一样的，图像采集的起始端和末端所对应的转镜的扫面线速度较大，图像采集中间部分所对应的转镜扫描线速度较小，这种速度的不一致性同样会导致图像发生畸变。
因此，急需提供一种新的可解决图像畸变问题的高光谱成像系统。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有高光谱成像系统所具有的图像畸变的问题，本发明提供一种镜头扫描模式高光谱成像系统及旋翼无人机，适于在高空及较大拍摄范围的环境下使用。
本发明采用的技术方案如下：
一种镜头扫描模式高光谱成像系统，包括依次设置且与主光轴同轴的成像镜头、成像光谱仪和面阵列探测器，所述成像光谱仪和面阵列探测器连接并固定，还包括用于驱动成像镜头相对于成像光谱仪的狭缝所在平面进行水平移动的驱动装置，成像镜头在移动过程中形成镜头扫描模式，扫描行程为10±2mm。
在现有高光谱成像系统中，为保证镜头视场以及采集出来的图像视场不发生变化，无论是狭缝扫描模式还是转镜扫描模式，成像镜头都是固定不动的，但这两种扫描模式都会发生图像畸变。本发明则在成像光谱仪和面阵列探测器固定不动的基础上，使成像镜头相对于成像光谱仪的狭缝所在平面进行水平移动，形成镜头扫描模式。由于成像系统每次只成目标上一条线的像，成像光谱仪对进入狭缝的入射光进行分光，分光使每个光谱成分对应面阵列探测器线阵上的一个像素点。因此，要将目标对象所有的像都呈现在面阵列探测器上，需要目标对象和成像系统之间有一个相对的运动。本发明通过镜头扫描模式使目标对象与成像光谱仪之间产生相对运动，从而实现成像，同时克服了狭缝扫描模式因成像光谱仪移动发生重心偏移以及转镜扫描模式因扫描速度不一致而导致的图像畸变问题。
但对于镜头扫描模式，镜头在移动时，造成的现象则会是，镜头每移动一定的位移后，面阵列探测器拍摄到的目标物的景像都是不尽相同的。但在高空及较大拍摄范围的情况下，例如将该高光谱成像系统用于旋翼无人机拍摄时，无人机的飞行高度通常在几百米，地面上实际拍摄的目标对象的宽度通常也是上百米，本发明将成像镜头的扫描行程设定在10±2mm，即成像镜头的移动是非常小的，即所拍摄目标对象的空间分辨率尺寸远大于面阵列探测器的像元尺寸，保证了目标对象的位置成像与面阵列探测器上的每个像元信息是一一对应的，也就是说，对于上百米宽度的目标对象而言，所采集出来的图像视场的变化基本可以忽略不计，即目标对象的位置信息基本不变。
所述驱动装置包括与成像镜头固定连接的平移机构和驱动平移机构移动的扫描电机。通过扫描电机驱动平移机构移动，从而带动成像镜头进行扫描，扫描完成后，扫描电机驱动平移机构复位。
所述平移机构包括与设置在平移机构上方的固定板固定连接的滑轨和可沿滑轨移动的滑块，所述滑块通过成像镜头固定件与成像镜头连接。采用滑轨与滑块带动成像镜头扫描，结构简单、易于操作，并且有利于降低成本。
所述滑块与成像镜头固定件之间通过转接件连接。滑块在沿滑轨移动产生晃动时，转接件有利于减弱滑块晃动对成像镜头的影响，增强成像镜头扫描的稳定性。
所述扫描电机通过扫描电机固定件与固定板固定连接，扫描电机的输出轴与转接件传动连接。若扫描电机直接驱动滑块或成像镜头，则扫描电机在将旋转运动转换为直线运动时，造成滑块或成像镜头晃动，不利于稳定成像，通过使扫描电机驱动转接件移动，可显著提高镜头扫描的稳定性。
所述成像光谱仪和面阵列探测器通过固定件连接在一起，并通过成像光谱仪固定件固定不动。在实际使用时，可将所述高光谱成像系统安装在壳体内，使成像光谱仪和面阵列探测器与壳体固定。
所述高光谱成像系统还包括用于远程监控图像采集区域和质量的辅助摄像头，可实时监控图像采集区域，并对成像质量进行监测，有利于保证拍摄结果的准确性。
所述高光谱成像系统上方通过支撑杆搭建有NUC主板，NUC主板用于控制数据采集软件并存储数据，地面操作人员通过远程控制对NUC主板进行远程操作，使得实时采集的数据无需远程传输至地面，待测试完成后再进行导出和处理，通过支撑杆将NUC主板搭建在所述高光谱成像系统上方有利于节约空间。
一种旋翼无人机，包括无人机和控制无人机飞行的控制模块，所述无人机搭载有所述高光谱成像系统。通过在无人机上搭载所述高光谱成像系统，并对无人机的飞行姿态进行远程控制，使无人机飞、停至指定区域后，由所述高光谱成像系统利用镜头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，避免图像发生畸变。此外，采用无人机拍摄高光谱遥感的手段和方法，能够快速的完成大面积目标图像的拍摄、拼接，同时无人机自带相关的GPS定位信息，再通过地面标靶，很快的就能够完成更大面积图像的拼接和融合，无需对无人机的飞行姿态、速度等进行实时修正，因为在拍摄高光谱图像时，无人机是悬停在空中的，所悬挂的高光谱成像系统会在计算机的控制下，完成图像的扫描和采集。
所述高光谱成像系统通过三轴增稳云台与无人机连接。三轴增稳云台可保证所搭载的高光谱成像系统在无人机飞行过程中的稳定性。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明的高光谱成像系统通过镜头扫描模式使目标对象与成像光谱仪之间产生相对运动，从而实现成像，很好地解决了现有采用狭缝扫描模式以及转镜扫描模式的高光谱成像系统易产生的图像畸变问题，适于在高空及较大拍摄范围的环境下使用；
2.本发明的高光谱成像系统克服了现有技术中成像镜头只能固定不动的技术偏见，在高空及较大拍摄范围的环境下，成像镜头在10±2mm的扫描行程范围内所造成的图像视场变化非常小，目标对象的位置信息基本不变，不会对最终的成像质量产生影响；
3.本发明的镜头扫描模式也可应用在其他非高光谱成像模式下，同样可以进行信息获取，此时不再是获取图像和光谱信息，而是只获取目标的光谱信息，有利于扩大应用领域。
4.本发明的旋翼无人机通过搭载所述高光谱成像系统，使无人机飞、停至指定区域后，由所述高光谱成像系统利用镜头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，有效解决了图像畸变问题；
5.本发明的旋翼无人机搭载平台成本低，通过无线传输、远程控制模块就可以实现对搭载平台的控制，可以在地面上实时观察到图像采集区域、旋翼无人机的姿态和采集的图像效果；此外，无人机还能够快速的完成大面积目标图像的拍摄、拼接，同时无人机自带相关的GPS定位信息，再通过地面标靶，很快的就能够完成更大面积图像的拼接和融合，无需对无人机的飞行姿态、速度等进行实时修正；
6.本发明无需非常专业的人员进行操作，只需能够对无人机飞行姿态进行控制即可，图像采集全部实现自动化和模块化，测试效率大大提高；
7.本发明飞行器的飞行控制、三轴增稳云台的姿态、高光谱成像系统的工作均为相对独立的状态，无须在测试进行的过程中对系统进行调试，只需对旋翼无人机进行单独控制，使其飞、停至指定区域，操作简单。
附图说明
图1是本发明高光谱成像系统的结构示意图；
图2是本发明高光谱成像系统的侧视图；
图3是本发明旋翼无人机的结构示意图。
图中标记：1-成像镜头，2-成像镜头固定件，3-狭缝，4-转接件，5-成像光谱仪，6-支撑杆，7-成像光谱仪固定件，8-固定件，9-面阵列探测器，10-NUC主板，11-固定板，12-扫描电机，13-扫描电机固定件，14-辅助摄像头，15-滑轨，16-滑块，01-无人机，02-三轴增稳云台，03-高光谱成像系统。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合图1对本发明作详细说明。
本发明所用成像镜头、成像光谱仪、面阵列探测器、NUC主板、辅助摄像头、无人机以及控制无人机飞行的控制模块和三轴增稳云台均为现有技术产品，本领域技术人员都能明白和理解。
实施例1
一种镜头扫描模式高光谱成像系统，包括依次设置且与主光轴同轴的成像镜头1、成像光谱仪5和面阵列探测器9，所述成像光谱仪5和面阵列探测器9连接并固定，还包括用于驱动成像镜头1相对于成像光谱仪5的狭缝3所在平面进行水平移动的驱动装置，成像镜头1在移动过程中形成镜头扫描模式，扫描行程为10±2mm。
在现有高光谱成像系统中，为保证镜头视场以及采集出来的图像视场不发生变化，无论是狭缝扫描模式还是转镜扫描模式，成像镜头1都是固定不动的，但这两种扫描模式都会发生图像畸变。本发明则在成像光谱仪5和面阵列探测器9固定不动的基础上，使成像镜头1相对于成像光谱仪5的狭缝3所在平面进行水平移动，形成镜头扫描模式。由于成像系统每次只成目标上一条线的像，成像光谱仪5对进入狭缝3的入射光进行分光，分光使每个光谱成分对应面阵列探测器线阵上的一个像素点。因此，要将目标对象所有的像都呈现在面阵列探测器上，需要目标对象和成像系统之间有一个相对的运动。本发明通过镜头扫描模式使目标对象与成像光谱仪5之间产生相对运动，从而实现成像，同时克服了狭缝扫描模式因成像光谱仪移动发生重心偏移以及转镜扫描模式因扫描速度不一致而导致的图像畸变问题。
但对于镜头扫描模式，镜头在移动时，造成的现象则会是，镜头每移动一定的位移后，面阵列探测器拍摄到的目标物的景像都是不尽相同的。但在高空及较大拍摄范围的情况下，例如将该高光谱成像系统用于旋翼无人机拍摄时，无人机的飞行高度通常在几百米，地面上实际拍摄的目标对象的宽度通常也是上百米，本发明将成像镜头的扫描行程设定在10±2mm，即成像镜头的移动是非常小的，即所拍摄目标对象的空间分辨率尺寸远大于面阵列探测器的像元尺寸，保证了目标对象的位置成像与面阵列探测器上的每个像元信息是一一对应的，也就是说，对于上百米宽度的目标对象而言，所采集出来的图像视场的变化基本可以忽略不计，即目标对象的位置信息基本不变。
例如，所述高光谱成像系统的成像视场角为29°，面阵列探测器全帧像素为1936x1456空间维度x光谱维度，在实际使用时，考虑到无需采集速率、波段太多等问题，对面阵列探测器进行像素合并，选用960x360的模式进行采集，保持足够多的波段的同时，还能提高采集效率。在300m高空成像过程中，成像镜头1在系统上偏移10mm时，地面上实际拍摄的目标对象的宽度为150m,相机每个像元对应的空间尺度为：150m/969相机像素＝15.5cm。对于拍摄150m宽的目标对象而言，目标对象的位置偏移15.5cm，远远小于每个像元的空间分辨率，所以图像视场的变化可以忽略不计。
实施例2
基于实施例1，驱动装置包括与成像镜头1固定连接的平移机构和驱动平移机构移动的扫描电机12。通过扫描电,12驱动平移机构移动，从而带动成像镜头1进行扫描，扫描完成后，扫描电机12驱动平移机构复位。
实施例3
基于实施例2，平移机构包括与设置在平移机构上方的固定板11固定连接的滑轨15和可沿滑轨15移动的滑块16，所述滑块16通过成像镜头固定件2与成像镜头1连接。采用滑轨15与滑块16带动成像镜头1扫描，结构简单、易于操作，并且有利于降低成本。
实施例4
基于实施例3，滑块16与成像镜头固定件2之间通过转接件4连接。滑块16在沿滑轨15移动产生晃动时，转接件4有利于减弱滑块16晃动对成像镜头1的影响，增强成像镜头1扫描的稳定性。
实施例5
基于实施例4，扫描电机12通过扫描电机固定件13与固定板11固定连接，扫描电机12的输出轴与转接件4传动连接。若扫描电机12直接驱动滑块16或成像镜头1，则扫描电机12在将旋转运动转换为直线运动时，易造成滑块16或成像镜头1晃动，不利于稳定成像，通过使扫描电机12驱动转接件4移动，可显著提高镜头扫描的稳定性。
实施例6
基于上述实施例，成像光谱仪5和面阵列探测器9通过固定件8连接在一起，并通过成像光谱仪固定件7固定不动。在实际使用时，可将所述高光谱成像系统安装在壳体内，使成像光谱仪5和面阵列探测器9与壳体固定。
实施例7
基于上述实施例，高光谱成像系统还包括用于远程监控图像采集区域和质量的辅助摄像头14，可实时监控图像采集区域，并对成像质量进行监测，有利于保证拍摄结果的准确性。
实施例8
基于上述实施例，高光谱成像系统上方通过支撑杆6搭建有NUC主板10，NUC主板10用于控制数据采集软件并存储数据，地面操作人员通过远程控制对NUC主板进行远程操作，使得实时采集的数据无需远程传输至地面，待测试完成后再进行导出和处理，通过支撑杆6将NUC主板10搭建在所述高光谱成像系统上方有利于节约空间。
实施例9
一种旋翼无人机，包括无人机01和控制无人机飞行的控制模块，所述无人机01搭载有所述高光谱成像系统03。通过在无人机01上搭载所述高光谱成像系统03，并对无人机01的飞行姿态进行远程控制，使无人机01飞、停至指定区域后，由所述高光谱成像系统03利用镜头扫描的方式进行图像采集，解决了通过无人机01的运动来调整扫描范围而带来的重心不稳定的问题，避免图像发生畸变。此外，采用无人机01拍摄高光谱遥感的手段和方法，能够快速的完成大面积目标图像的拍摄、拼接，同时无人机自带相关的GPS定位信息，再通过地面标靶，很快的就能够完成更大面积图像的拼接和融合，无需对无人机的飞行姿态、速度等进行实时修正，因为在拍摄高光谱图像时，无人机是悬停在空中的，所悬挂的高光谱成像系统会在计算机的控制下，完成图像的扫描和采集。
高光谱成像系统03通过三轴增稳云台02与无人机01连接。三轴增稳云台02可保证所搭载的高光谱成像系统03在无人机01飞行过程中的稳定性。
如上所述即为本发明的实施例。本发明不局限于上述实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种镜头扫描模式高光谱成像系统，包括依次设置且主光轴同轴的成像镜头(1)、成像光谱仪(5)和面阵列探测器(9)，所述成像光谱仪(5)和面阵列探测器(9)连接并固定，其特征在于，还包括用于驱动成像镜头(1)相对于成像光谱仪(5)的狭缝(3)所在平面进行水平移动的驱动装置，成像镜头(1)在移动过程中形成镜头扫描模式，扫描行程为10±2mm。
2.根据权利要求1所述的一种镜头扫描模式高光谱成像系统，其特征在于，所述驱动装置包括与成像镜头(1)固定连接的平移机构和驱动平移机构移动的扫描电机(12)。
3.根据权利要求2所述的一种镜头扫描模式高光谱成像系统，其特征在于，所述平移机构包括与设置在平移机构上方的固定板(11)固定连接的滑轨(15)和可沿滑轨(15)移动的滑块(16)，所述滑块(16)通过成像镜头固定件(2)与成像镜头(1)连接。
4.根据权利要求3所述的一种镜头扫描模式高光谱成像系统，其特征在于，所述滑块(16)与成像镜头固定件(2)之间通过转接件(4)连接。
5.根据权利要求4所述的一种镜头扫描模式高光谱成像系统，其特征在于，所述扫描电机(12)通过扫描电机固定件(13)与固定板(11)固定连接，扫描电机(12)的输出轴与转接件(4)传动连接。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种镜头扫描模式高光谱成像系统，其特征在于，所述成像光谱仪(5)和面阵列探测器(9)通过固定件(8)连接在一起，并通过成像光谱仪固定件(7)固定不动。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种镜头扫描模式高光谱成像系统，其特征在于，所述高光谱成像系统还包括用于远程监控图像采集区域和质量的辅助摄像头(14)。
8.根据权利要求7所述的一种镜头扫描模式高光谱成像系统，其特征在于，所述高光谱成像系统上方通过支撑杆(6)搭建有NUC主板(10)。
9.一种旋翼无人机，包括无人机(01)和控制无人机飞行的控制模块，其特征在于，所述无人机(01)搭载有所述高光谱成像系统(03)。
10.根据权利要求9所述的一种旋翼无人机，其特征在于，所述高光谱成像系统(03)通过三轴增稳云台(02)与无人机(01)连接。
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