CN108508503B - 一种可实现图谱及结构信息集成探测的遥感成像系统 - Google Patents

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Abstract

一种可实现图谱及结构信息集成探测的遥感成像系统，该发明可对目标的图像、光谱及三维结构信息集成探测；该系统主要包括反射式准直光学系统、结构光扫描机构、分色片、前置偏振片、声光可调谐滤波器、后置偏振片、后置成像镜头、面阵探测器及主控系统。该系统具有三个成像通道，分别是红外光谱成像通道、可见光光谱成像通道及全色/结构光成像通道。由于采用共光路光学结构，该系统的三个通道分别获取的红外光谱图像、可见光光谱图像及全色/结构图像具有良好的匹配性。本发明为建立目标真实模型及遥感基础理论研究提供了新型数据源，促进了遥感定量化水平的提高。

Description

一种可实现图谱及结构信息集成探测的遥感成像系统
所属技术领域
本发明涉及一种可实现图谱及结构信息集成探测的遥感成像系统，属于高光谱遥感及三维结构测量领域，该系统可对目标的图像信息、光谱信息及三维结构信息进行集成探测，为遥感基础理论研究提供新型数据源。
背景技术
实现遥感的定量化，必须解决高精度遥感辐射传输模拟与建模、遥感数据和信息的尺度变换、遥感数据与产品的真实性检验等重要科学与技术问题。这些科学问题的解决亟需新型的多参量、多信息集成探测的高精度遥感仪器。如：采用植被真实结构模型进行辐射传输正向建模具有精度高、不受植被种类限制等特点，但其需要对植被信息进行全面探测，包括：全色图像探测、光谱探测、三维结构探测。全色图像探测可获取高信噪比图像、目标细节信息，光谱探测可获取植被冠层光谱反射率信息，三维结构探测可获取植被叶面积指数、叶倾角等结构信息。
声光可调谐滤波器是一种基于声光互作用分光器件，通过射频信号驱动压电换能器发出超声波，使入射光线的某一窄带光波发生衍射，实现单色光成像。通过改变射频信号频率，可在不同时刻获得不同波段的光谱图像，实现光谱成像的目的。该方法具有快速任意切换波段、完全电控、没有运动部件、不同波段可配置等特点，在近地光谱探测中有广泛的应用。
在三维结构探测中，主动式三维视觉测量系统更加容易获得高密度、高精度的点云数据。其中，结构光测距系统，通过振镜摆动实现激光在探测视场内的扫描，进行目标三维结构探测，该方法能量高，可满足野外工作需求，且振镜扫描速度快，可提高探测效率。
目前，对于地物的光谱探测与三维结构探测都已较为成熟，但是两种信息的获取是完全分开的过程。光谱和结构测量采用不同仪器，不能保证光谱数据和结构数据的精确配准和一致性，引入很大的测量误差，增加了地物建模和验证的不确定性。
发明内容
本发明的技术解决的问题是：根据声光可调谐滤波器的原理特点，结合结构光三维测量系统，提出了一种可同步获取目标的图像、光谱及三维结构信息的集成探测系统，为定量遥感工作提供图像、光谱及三维结构信息精确匹配的新型数据。
本发明的技术解决方案是：一种可实现图谱及结构信息集成探测的遥感成像系统，其包括：
反射式准直光学系统：位于系统的最前端，采用离轴反射式结构，实现入射光线的准直及压缩视场角的目的，以满足红外声光可调谐滤波器及可见光声光可调谐滤波器的角孔径要求；
结构光扫描机构：由激光器和振镜组成，激光器发出的光束经振镜反射后与系统光轴呈一定夹角，并通过振镜的摆动，实现激光光束在系统探测视场内的扫描；
分色片：位于反射式准直光学系统之后，用于将入射光束分为红外波段与可见光波段两部分；
红外光谱成像通道：位于分色片的透射方向之后，实现红外波段的光谱探测，由前置偏振片1、红外声光可调谐滤波器、后置偏振片1、后置成像镜头1及面阵探测器1组成。其中，前置偏振片1位于红外光谱成像通道的最前端，用于实现该通道入射光束的起偏。红外声光可调谐滤波器位于前置偏振片1之后，通过对其施加特定频率电信号后，将入射偏振光的某一窄带波段按调谐关系衍射并改变其偏振态，衍射光(1级光)与未衍射的入射光(0级光)偏振态正交。后置偏振片1位于红外声光可调谐滤波器之后，透偏方向与前置偏振片1正交，用于消除出射光线中的0级光，使得只有1级光可以进入后续光学系统。后置成像镜头1位于后置偏振片1之后，用于红外波段的1级光成像。面阵探测器1位于后置成像镜头1之后，获取红外光谱图像数据；
可见光光谱成像通道：位于分色片的反射方向之后，实现可将光波段的光谱探测，由前置偏振片2、可见光声光可调谐滤波器、后置偏振片2、后置成像镜头2及面阵探测器2组成。其中，前置偏振片2位于可见光光谱成像通道的最前端，用于实现该通道入射光束的起偏。可见光声光可调谐滤波器位于前置偏振片2之后，通过对其施加特定频率电信号后，将入射偏振光的某一窄带波段按调谐关系衍射并改变其偏振态，衍射光(1级光)与未衍射的入射光(0级光)偏振态正交。后置偏振片2位于可见光声光可调谐滤波器之后，45°放置，透偏方向与前置偏振片2正交，用于实现0级光与1级光的空间分离。后置成像镜头2(位于后置偏振片2的透射方向之后，用于可见光波段的1级光成像。面阵探测器2位于后置成像镜头2之后，获取可见光光谱图像数据；
全色/结构光成像通道：位于后置偏振片2的反射方向之后，实现可见光波段的0级光(包含目标反射的外界光能量及结构光能量)探测。由后置成像镜头3及面阵探测器3组成。其中，后置成像镜头3位于全色/结构光成像通道的最前端，用于可见光波段全色成像。面阵探测器3位于后置成像镜头3之后，获取可见光全色图像数据。
主控系统：控制红外声光可调谐滤波器和可见光声光可调谐滤波器改变衍射光波长，控制结构光扫描机构进行探测视场内的激光光束扫描，控制面阵探测器1、面阵探测器2及面阵探测器3分别完成红外光谱图像、可见光光谱图像及全色/结构图像采集。
其中，所述的分色片对红外光谱成像通道与可见光光谱成像通道进行空间分离，后置偏振片2对可见光光谱成像通道和全色/结构光成像通道进行空间分离，使三个成像通道均形成共光路结构。从而该系统可对图像、光谱及三维结构信息集成探测，获取具有良好的匹配性的红外光谱图像、可见光光谱图像与全色/结构图像数据。
其中，所述的主控系统对可见光光谱成像通道的数据采集进行时序控制，使该通道先采集远离激光器波长邻近波段的光谱图像。当激光扫描结束后，关闭激光器，再进行激光波长邻近波段的光谱图像采集，避免激光光斑对光谱图像的干扰。
本发明的原理是：该系统结合基于声光可调谐滤波器的光谱成像方法与基于结构光的三维测量方法，实现目标图像信息、光谱信息及三维结构信息的集成探测。通过共光路光学结构设计，获取具有良好匹配性的图像、光谱及三维结构信息数据。声光可调谐滤波器通过压电换能器发射的超声波，可使入射偏振光的某一特定窄带波段发生衍射，并使其偏振态与入射光正交。通过后置偏振片可实现0级光与1级光的空间分离，形成同时获取光谱图像与全色图像共光路结构，两者具有良好的匹配性。同时，由于结构扫描机构投射到目标的激光反射光也进入全色/结构光成像通道进行成像，从而通过全色图像解算出的三维结构点云数据与光谱数据也具有良好的匹配性，实现图像、光谱及结构信息的集成探测及高精度数据获取。
本发明与现有声光画幅式成像光谱仪与三维结构测量系统相比的优点在于：该系统利用分色片实现可见光波段与红外波段的共光路结构，光谱探测覆盖范围很宽。同时，该系统将声光可调谐滤波器的0级光与结构光扫描机构结合，形成全色/结构光成像通道，并与光谱通道形成共光路结构，实现光谱探测与三维结构测量的有机结合，所获取的数据具有良好匹配性。
附图说明
图1为本发明一种可实现图谱及结构信息集成探测的遥感成像系统的结构框图；
图2为本发明一种可实现图谱及结构信息集成探测的遥感成像系统的数据获取流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明由反射式准直光学系统(1)、结构光扫描机构(2)、分色片(3)、红外光谱成像通道(4)、可见光光谱成像通道(5)、全色/结构光成像通道(6)和主控系统(19)组成。其中，结构光扫描机构(2)由激光器(20)及振镜(21)组成，红外光谱成像通道(4)由前置偏振片1(7)、红外声光可调谐滤波器(8)、后置偏振片1(9)、后置成像镜头1(10)及面阵探测器1(11)组成，可见光光谱成像通道(5)由前置偏振片2(12)、可见光声光可调谐滤波器(13)、后置偏振片2(14)、后置成像镜头2(15)及面阵探测器2(16)组成，全色/结构光成像通道(6)由后置成像镜头3(17)及面阵探测器3(18)组成。
该系统同时探测目标的图像信息、光谱信息及三维结构信息，其中图像信息和光谱信息来自目标反射的外界自然光或人工光源，三维结构信息通过目标反射的激光获取。目标的反射光束经反射式准直光学系统(1)进行视场角压缩以及光束准直，使光束满足红外声光可调谐滤波器(8)及可见光声光可调谐滤波器(13)的角孔径限制。经分色片(3)作用，入射光束的在空间上分为红外光谱成像通道(4)和可见光光谱成像通道(5)。
在红外光谱成像通道(4)中，前置偏振片1(7)使入射的红外光束起偏，以满足红外声光可调谐滤波器(8)的偏振态需求，避免产生杂散光。红外声光可调谐滤波器(8)根据射频信号发出超声波，产生某一特定窄带波段的1级光，并使其偏振态与0级光正交。后置偏振片1(9)的透偏方向与前置偏振片(2)正交，可将从红外声光可调谐滤波器(8)出射的0级光消除，减少杂光影响。最后，通过后置成像镜头1(10)将红外光谱图像成像于面阵探测器1(11)的靶面。
在可见光光谱成像通道(5)中，前置偏振片2(12)使入射的可见光光束起偏，以满足可见光声光可调谐滤波器(13)的偏振态需求，避免产生杂散光。可见光声光可调谐滤波器(13)根据射频信号发出超声波，产生某一特定窄带波段的1级光，并使其偏振态与0级光正交。后置偏振片2(14)的透偏方向与前置偏振片(2)正交，并呈45°放置，可实现1级光和0级光的空间分离。1级光通过后置成像镜头2(15)将可见光光谱图像成像于面阵探测器2(16)的靶面。0级光包含目标反射的外界光及激光形成全色/结构光成像通道(6)，通过后置成像镜头3(17)将可见光全色图像成像于面阵探测器3(18)的靶面，实现全色信息探测与三维结构探测。
在系统进行集成探测时，数据获取流程如图2所示。首先进行红外声光可调谐滤波器(8)和可见光声光可调谐滤波器(13)的初始频率及采集步长设置，确定光谱探测的波长起点以及相邻波段的波长间隔。同时，打开激光器(20)并设置振镜(21)的初始位置及扫描时转动的角度间隔。初始化设置完成后，三个成像通道同时开始数据采集。激光波长处于可见光光谱探测范围内，当可见光声光可调谐滤波器(13)调谐到激光波长时，系统所探测的激光将变为1级光，对光谱图像产生影响。由于激光能量较强、后置偏振片2(14)消光比有限等原因，可见光光谱通道(5)在激光波长的邻近波段进行光谱探测时，其光谱图像也会受到激光光束的干扰。所以，可见光光谱通道(5)先进行远离激光波长波段的光谱图像采集，当三维结构信息探测完毕、关闭激光器(20)后，再进行剩余波段的光谱图像采集。上述数据采集时序控制均由主控系统(19)完成。
由于光学加工和装调的问题，会导致红外光谱成像通道(4)、可见光光谱成像通道(5)与全色/结构光成像通道(6)所采集到的图像不能严格对准，导致图像、光谱及三维结构信息的匹配精度下降。由于三个探测通道属共光路结构，可通过拍摄靶标的方法预先标定出三个探测器所获图像的空间位置关系，从而对采集到的图像数据进行预处理，以获取图像、光谱及三维结构信息高精度匹配的集成探测数据。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种可实现图谱及结构信息集成探测的遥感成像系统，其特征在于：包括：
反射式准直光学系统(1)：位于系统的最前端，采用离轴反射式结构，实现入射光线的准直及压缩视场角的目的，以满足红外声光可调谐滤波器(8)及可见光声光可调谐滤波器(13)的角孔径要求；
结构光扫描机构(2)：由激光器(20)和振镜(21)组成，激光器(20)发出的光束经振镜(21)反射后与反射式准直光学系统(1)光轴呈一定夹角，并通过振镜(21)的摆动，实现激光光束在系统探测视场内的扫描；
分色片(3)：位于反射式准直光学系统(1)之后，用于将入射光束分为红外波段与可见光波段两部分；
红外光谱成像通道(4)：位于分色片(3)的透射方向之后，实现红外波段的光谱探测，由前置偏振片1(7)、红外声光可调谐滤波器(8)、后置偏振片1(9)、后置成像镜头1(10)及面阵探测器1(11)组成，其中，前置偏振片1(7)位于红外光谱成像通道(4)的最前端，用于实现该通道入射光束的起偏，红外声光可调谐滤波器(8)位于前置偏振片1(7)之后，通过对其施加特定频率电信号后，将入射偏振光的某一窄带波段按调谐关系衍射并改变其偏振态，衍射光与非衍射光偏振态正交，后置偏振片1(9)位于红外声光可调谐滤波器(8)之后，透偏方向与前置偏振片1(7)正交，用于消除出射光线中的非衍射光，使得只有衍射光可以进入后续光学系统，后置成像镜头1(10)位于后置偏振片1(9)之后，用于红外波段的衍射光成像，面阵探测器1(11)位于后置成像镜头1(10)之后，获取红外光谱图像数据；
可见光光谱成像通道(5)：位于分色片(3)的反射方向之后，实现可见光波段的光谱探测，由前置偏振片2(12)、可见光声光可调谐滤波器(13)、后置偏振片2(14)、后置成像镜头2(15)及面阵探测器2(16)组成，其中，前置偏振片2(12)位于可见光光谱成像通道(5)的最前端，用于实现该通道入射光束的起偏，可见光声光可调谐滤波器(13)位于前置偏振片2(12)之后，通过对其施加特定频率电信号后，将入射偏振光的某一窄带波段按调谐关系衍射并改变其偏振态，衍射光与非衍射光偏振态正交，后置偏振片2(14)位于可见光声光可调谐滤波器(13)之后，45°放置，透偏方向与前置偏振片2(12)正交，用于实现衍射光与非衍射光的空间分离，后置成像镜头2(15)位于后置偏振片2(14)的透射方向之后，用于可见光波段的衍射光成像，面阵探测器2(16)位于后置成像镜头2(15)之后，获取可见光光谱图像数据；
全色/结构光成像通道(6)：位于后置偏振片2(14)的反射方向之后，实现非衍射光及结构光能量探测，由后置成像镜头3(17)及面阵探测器3(18)组成，其中，后置成像镜头3(17)位于全色/结构光成像通道(6)的最前端，用于可见光波段全色成像，面阵探测器3(18)位于后置成像镜头3(17)之后，获取可见光全色图像数据；
主控系统(19)：控制红外声光可调谐滤波器(8)和可见光声光可调谐滤波器(13)改变衍射光波长，控制结构光扫描机构(2)进行探测视场内的激光光束扫描，控制面阵探测器1(11)、面阵探测器2(16)及面阵探测器3(18)分别完成红外光谱图像、可见光光谱图像及全色/结构图像采集。
2.根据权利要求1所述的一种可实现图谱及结构信息集成探测的遥感成像系统，其特征在于：所述的分色片(3)对红外光谱成像通道(4)与可见光光谱成像通道(5)进行空间分离，后置偏振片2(14)对可见光光谱成像通道(5)和全色/结构光成像通道(6)进行空间分离，使三个成像通道均形成共光路结构，从而该系统可对图像、光谱及三维结构信息集成探测，获取具有良好的匹配性的红外光谱图像、可见光光谱图像与全色/结构图像数据。
3.根据权利要求1所述的一种可实现图谱及结构信息集成探测的遥感成像系统，其特征在于：所述的主控系统(19)对可见光光谱成像通道的数据采集进行时序控制，使该通道先采集远离激光器(20)波长邻近波段的光谱图像，当激光扫描结束后，关闭激光器(20)，再进行激光波长邻近波段的光谱图像采集，避免激光光斑对光谱图像的干扰。
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