CN108507677A - 一种可同步获取单点光谱和三维数据的探测系统 - Google Patents
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Abstract
一种可同步获取单点光谱和三维数据的探测系统，该发明为近地遥感探测领域提供一套多参量集成探测的仪器，能够获取自动配准的光谱数据和三维结构数据；该探测系统主要由前置成像镜头、狭缝、准直镜头、色散元件、后置成像镜头、CCD探测器、激光器、二维机械运动装置与计算机组成；探测系统利用色散元件进行分光，获取被测点的光谱数据；利用激光三角原理获取被测点的深度信息，结合机械扫描装置提供的二维坐标得到三维数据；由于激光器、狭缝与成像系统光轴的共面设计，系统能够在同一时刻获取物点的光谱与三维信息；通过机械运动装置的二维扫描，得到被测物完整的三维结构数据和与之逐点对应、自动配准的光谱数据。
Description
技术领域
本发明属于近地遥感探测领域，涉及一种可同步获取单点光谱和三维数据的探测系统，能够提供自动配准的光谱与三维结构数据，解决传统探测过程中二者独立测量带来的数据无法精确匹配的问题。
背景技术
光谱和三维结构探测是许多研究领域获取数据的重要手段。例如在农业遥感领域，利用探测得到的光谱数据可以监测作物健康状况、病虫害情况等；利用三维结构数据可以分析作物长势，预测作物产量等。在植物学研究领域可以利用光谱数据反演植被生化参数，包括叶绿素含量、氮含量、植株含水量等，利用三维结构数据可以计算植被形态学参数，包括叶面积指数、叶倾角等；在工业生产领域，利用光谱数据可以检测产品质量、划分产品等级、分析物质组分等，利用三维结构数据可以动态监测生产过程，精确控制成品率等。而光谱和三维数据的同步使用能够进一步挖掘出数据的应用潜力，为上述领域带来更加完备的数据集，扩展了单独的光谱数据或单独的三维数据的应用范围，在精准农业、植被辐射传输建模、工业生产线自动控制等方面得到了更加广泛的应用。
光谱探测可以采用光栅分光、棱镜分光、干涉型分光等几种原理，结合后端探测接收装置与相应光机结构，能够形成各种成像或非成像的光谱仪。目前用于近地探测的光谱仪技术已经相对比较成熟，国内外许多机构与厂家推出了适用于各种观测场合的光谱仪器。三维结构探测可以采用双目立体视觉、激光三角法、激光雷达等技术。这些非接触式的三维探测手段由于其响应速度快、能够对目标实现无损探测、测量精度适中等优点，已经广泛应用于各种观测场合。
然而这些传统的探测方式只能单独获得被测物的光谱或三维结构信息，并未实现两种数据的同步获取。受到两种探测手段的仪器视场不同、探测角度不同、空间分辨率不同、观测时间误差等的影响，独立获取的两种信息并不能真实地反映同一物点在同一时刻的状态。这种空间和时间的不一致性，使得两种数据无法做到点对点的精确匹配，严重影响了数据集整体的精度，抑制了其应用能力。
发明内容
本发明的技术解决问题是：提供一种可同步获取单点光谱和三维数据的探测系统，保证了光谱信息和三维结构信息探测过程空间和时间的一致性，能够获取逐点对应、自动配准的光谱与三维结构数据集。
本发明的技术解决方案为：一种可同步获取单点光谱和三维数据的探测系统，其特征在于，包括下列部件：
前置成像镜头：位于探测系统的最前端，接收外界光线，包括被测物反射的自然光和激光。
狭缝：位于前置成像镜头之后的一次像面处，起到视场光阑的作用。
准直镜头：位于狭缝之后，将从狭缝入射的光线转化为平行光。
色散元件：位于准直镜头之后，利用棱镜色散对入射光束进行光谱分光，将不同波长的光线在垂直于狭缝的方向上展开。
后置成像镜头：位于色散元件之后，将展开的不同波长的光线成像在后端CCD靶面上。
CCD探测器：位于后置成像镜头之后，用于接收不同波长的光线进行成像。
激光器：位于探测系统顶端，发射三维数据探测所需的激光束。
二维机械运动装置：实现探测系统与被测物之间的相对扫描运动，通过逐点扫描获取被测物整体的光谱数据与三维结构数据；
计算机：控制探测系统的数据采集过程与二维机械运动装置的扫描过程，完成数据存储与处理。
其中，所述的激光器其中心波长应保证经过色散元件色散后激光点成像在CCD靶面行方向的边缘位置(中心位置用于光谱探测)，以避开对光谱数据的干扰。
其中，所述的CCD探测器，其像素阵列的列所在方向与狭缝平行，行所在方向与狭缝垂直，因此CCD像素阵列列方向为成像空间维，行方向为成像光谱维。
其中，在设计与装调时应严格保证激光器、狭缝与前置成像镜头光轴的共面性，确保激光束照射到被测物上经过反射后能够通过狭缝进行成像。
本发明的原理如下：
在自然光照射下，被测物体反射的自然光首先通过前置成像镜头成像在一次像面处。由于狭缝位于一次像面上，因此起到了视场光阑的作用，穿过狭缝的光线能够入射到后续成像装置中，狭缝之外的光线则被遮挡。穿过狭缝的入射光经过准直镜头被转换为平行光，经过色散元件色散后通过后置成像镜头成像，在CCD靶面上沿着行方向按照波长展开成光谱维数据。
激光器发射的光线经被测物反射后也会通过前置成像镜头，由于激光器、狭缝、前置成像镜头光轴的共面设计，物点反射的激光束经过前置成像镜头后一定会穿过狭缝。由于在设计时选择特定波长的激光器，保证激光束通过色散元件色散后偏向CCD靶面行方向的边缘位置，避免与展开的光谱数据相互干扰。激光束通过后置成像镜头后在CCD行方向边缘位置成像为一个激光点。根据三角原理，该激光点在列方向上所在的位置与被测物点的深度(被测物点离前置成像镜头顶端的距离)呈线性关系。
通过激光点位置提取，可以计算出被测物体上激光照射点的深度信息。同时取出CCD靶面上激光点所在行的行方向探测数据，即为该点的光谱数据。由此，探测系统可以同步地获取同一物点的深度信息和光谱信息。利用二维机械扫描装置使探测系统与物体产生相对的扫描运动，同时提供空间另外两个维度的坐标信息。经过扫描，该探测系统就可以获取物体完整的三维结构信息(三维点云数据)和与之逐点对应的光谱信息，实现了光谱和三维数据的同步获取。
本发明与现有技术相比的优点在于：
一、能够同步获取被测物点的光谱数据与结构数据，实现了两种数据点对点的匹配，避免了两种数据由于探测过程空间和时间上的不一致性带来的配准误差问题；
二、通过激光器、狭缝与前置成像镜头光轴的共面设计，使得仅利用一个CCD探测器的像素阵列就可以同时探测光谱信息与三维结构信息；
三、通过对色散原理的研究与分析，设计激光器波长参数、棱镜尺寸与位置参数，保证了光谱与三维探测数据在同一个CCD探测器靶面上的分离，在同步采集两种数据的同时，避免了二者的相互干扰。
附图说明
图1为本发明结构组成示意图；
图2为CCD靶面上光谱与三维探测数据分布示意图；
图3为激光器、狭缝、前置镜头光轴所在的平面Π(激光器、狭缝与成像光轴所决定的平面)内成像等效示意图，为了方便说明激光点的成像特性，将系统成像结构等效为一个成像镜头，在平面Π内，深度不同的激光点在CCD靶面上成像位置不同，深度与成像位置呈现出线性关系；
图4为该系统工作流程图。
图中具体标号如下：
1、前置成像镜头 2、狭缝 3、准直镜头
4、色散元件 5、后置成像镜头 6、CCD探测器
7、激光器 8、二维机械运动装置 9、计算机
具体实施方式
如图1所示，本发明由前置成像镜头1、狭缝2、准直镜头3、色散元件4、后置成像镜头5、CCD探测器6、激光器7、二维机械运动装置8与计算机9组成。
被测物反射的自然光通过前置成像镜头1后成像在一次像面处，狭缝2位于该一次像面上。前置成像镜头1的参数与狭缝2长度的选择与被测场景有关，需要在预定的工作距离处覆盖成像场景范围。狭缝的宽度根据光谱探测所要求的光谱分辨率选择。在一次像面处，狭缝之外的光线被遮挡，穿过狭缝的光线进入准直镜头3转换为平行光入射到色散元件4的入射面上。色散元件4的尺寸与位置参数需要结合后置成像镜头5与CCD探测器6靶面的参数来综合确定，保证色散展开后能够满足光谱探测所需要的波长范围与光谱分辨率要求。
从准直镜头3出射的平行光经过色散元件4后发生色散，通过后置成像镜头5成像在CCD探测器6的靶面上。在设计与装调时保证CCD探测器6靶面的行方向与色散后狭缝的像垂直，列方向与狭缝的像平行。如图2所示，通过狭缝的光线经过色散成像在CCD探测器6上时，按照波长不同在靶面上沿行方向展开。即靶面行方向为光谱维，列方向为空间维。在实际探测前需要利用标准单色光源对探测系统进行光谱定标，计算沿着靶面的行方向，每一列像素所对应的色散后的波长，即确定列号与波长的对应关系。
从激光器7出射的激光束入射到被测物体上的某一物点，经过物点反射后的激光入射到前置成像镜头1。在设计与装调时，保证激光器7、狭缝2与前置成像镜头1的光轴严格共面，三者所在平面记为Π。由于激光的发射与反射均在此平面内，因此反射光必定会穿过狭缝2进入准直镜头3，进而被棱镜4折射后通过后置成像镜头5成像在CCD探测器6的靶面上。由于CCD探测器6靶面的行方向为光谱维，通过狭缝的光(包括物体反射的自然光和激光)根据波长的不同成像在不同列上。如图2所示，为了避免激光点成像干扰光谱数据探测，在设计时选择特定波长λ0的激光器，使得激光经过色散后入射在CCD探测器6靶面行方向上的边缘，即成像在边缘列上。如图3所示，由于激光器的位置与方向固定，发射的激光束只能在平面Π内的特定方向上传播，当物体的深度(物体距离前置成像镜头1顶端的距离)不同时，激光线在物体上的照射点位置不同。根据激光器与探测系统成像器件所构成的三角关系，激光像点在CCD探测器6靶面列方向上的位置与激光照射点的深度呈线性关系(深度越小，激光像点的位置越靠近靶面底端)。通过精确的定标过程，确定靶面列方向上激光像点所在的位置与深度的定量关系。
在实际探测过程中，通过激光像点在CCD靶面列方向的位置提取，可以计算出被测物体上激光照射点的深度信息。同时取出CCD靶面上激光像点所在行的行方向探测数据，即为激光照射点的光谱数据。利用二维机械运动装置使探测系统与物体产生相对的扫描运动，同时二维机械运动装置提供空间另外两个维度的坐标信息，结合深度信息得到探测点的三维数据。经过逐点扫描过程，该探测系统就可以获取关于被测物的完整三维结构信息(三维点云数据)和与之逐点对应的光谱信息。由于光谱测量过程与结构测量过程的光学系统共光路，后端接收装置为同一CCD探测器，因此实现了光谱数据与结构数据的同步获取。即对于探测得到的每一物点的光谱数据，都有与之精确对应的同时刻探测的该点的三维数据，从而避免了两种数据由于探测过程空间和时间上的不一致性带来的配准误差问题。
Claims (3)
1.一种可同步获取单点光谱和三维数据的探测系统，其特征在于，包括下列部分：
前置成像镜头：位于探测系统的最前端，接收外界光线，包括被测物反射的自然光和激光；
狭缝：位于前置成像镜头之后的一次像面处，起到视场光阑的作用；
准直镜头：位于狭缝之后，将从狭缝入射的光线转化为平行光；
色散元件：位于准直镜头之后，利用色散原理对入射光束进行光谱分光，将不同波长的光线在垂直于狭缝的方向上展开；
后置成像镜头：位于色散元件之后，将展开后的不同波长的光线成像在后端CCD探测器靶面上；
CCD探测器：位于后置成像镜头之后，用于接收不同波长的光线进行成像；
激光器：位于探测系统顶端，发射三维数据探测所需的激光束；
二维机械运动装置：实现探测系统与被测物之间的相对扫描运动，通过逐点扫描获取被测物整体的光谱数据与三维结构数据；
计算机：控制探测系统的数据采集过程与二维机械运动装置的扫描过程，完成数据存储与处理。
2.根据权利要求1所述的一种可同步获取单点光谱和三维数据的探测系统，其特征在于：通过激光器、狭缝与前置成像镜头光轴的共面设计，使得仅利用一个CCD探测器就可以同时探测同一物点的光谱信息与三维信息，由于是同步同源探测，系统提供的光谱和结构数据实现了点对点的自动匹配。
3.根据权利要求1所述的一种可同步获取单点光谱和三维数据的探测系统，其特征在于：通过激光器与成像器件参数的优化设计，保证了光谱与三维探测数据在同一个CCD探测器靶面上的分离，避免了二者的相互干扰。
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