CN108534898A - 高光谱成像系统、高光谱相机及高光谱相机系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高光谱成像系统、高光谱相机及高光谱相机系统，该高光谱成像系统在探测器的像平面上以镀膜的方式设置不同透过波长的滤光片，同一透过波长的滤光片在像平面上由像平面的中心向边缘呈放射的形式排列，成像时，控制模块控制电机带动探测器以其中心为轴对目标物体进行旋转扫描，得到目标物体的多个不同波段的高光谱图像。该系统得到的高光谱图像的中心分辨率高，不存在光谱混叠的现象，光谱覆盖范围广，成像系统的集成度高，缓解了现有的采用色散分光技术进行分光时，得到的高光谱图像存在光谱混叠度高，光谱范围窄，成像系统的紧凑性较低的技术问题。

Description

高光谱成像系统、高光谱相机及高光谱相机系统

技术领域

本发明涉及高光谱成像的技术领域，尤其是涉及一种高光谱成像系统、高光谱相机及高光谱相机系统。

背景技术

高光谱遥感技术融合了光谱技术和成像技术，是当前国际上对地观测遥感技术发展的重要方向。高光谱成像技术在二维成像的基础上增加了光谱维，通过高光谱成像系统把被测物的辐射分解成不同波段的谱辐射，能在一个光谱区间内获得每个像元几十甚至几百个连续的窄波段信息。高光谱数据对于地物的识别、分析具有重要意义，目前已经在矿物勘探、农林资料调查、环境监控以及城市规划等诸多领域取得了广泛的运用。当前高光谱成像平台主要包括卫星平台、航空平台与地面成像。

高光谱相机采用的分光技术直接影响着整个高光谱相机的性能、结构的复杂程度、重量和体积等。高光谱成像需要通过分光技术使不同波段的范围区分，当前高光谱成像主要的分光方式包括色散型分光、傅立叶干涉型分光、滤光片分光、衍射光学分光等几种。从当前国内外航空航天的成像光谱仪研究现状来看，推扫式色散分光型成像光谱仪处于主要应用地位。

现有的推扫式色散分光型成像光谱仪中，色散元件主要为棱镜这一光学元件，通过准直镜、棱镜、会聚镜的配合实现分光。但是利用棱镜进行分光时，会出现光谱弯曲、色散非线性等现象，导致其光谱混叠度高，同时其光谱范围较窄，并且由准直镜、棱镜、会聚镜等多个器件组成的光路使得成像系统的紧凑性较低。

综上，在现有的高光谱成像系统中，采用色散分光技术进行分光时，得到的高光谱图像存在光谱混叠度高，光谱范围窄，且成像系统的紧凑性较低的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高光谱成像系统、高光谱相机及高光谱相机系统，以缓解在现有的高光谱成像系统中，采用色散分光技术进行分光时，得到的高光谱图像存在光谱混叠度高，光谱范围窄，且成像系统的紧凑性较低的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种高光谱成像系统，所述系统包括：高光谱成像模块，控制模块和电机；

所述高光谱成像模块包括：物镜和探测器，所述探测器的像平面上以镀膜的方式设置不同透过波长的滤光片，同一透过波长的滤光片在所述像平面上由所述像平面的中心向边缘呈放射的形式排列；

所述控制模块分别与所述探测器和所述电机连接，所述控制模块用于控制所述电机工作，以使所述电机带动所述探测器以其中心为轴对目标物体进行旋转扫描，得到所述目标物体的多个不同波段的高光谱图像。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述系统还包括：数据存储模块；

所述数据存储模块用于存储所述多个不同波段的高光谱图像。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述系统还包括：电源模块；

所述电源模块分别与所述控制模块，所述电机，所述探测器连接，用于为所述控制模块，所述电机，所述探测器进行供电。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述电源模块包括：电池。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述探测器包括：CMOS传感器。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，当旋转扫描时，所述探测器将透过所述滤光片的光信号转换为电信号，并通过模数转换，得到所述多个不同波段的高光谱图像。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述滤光片可根据实际需求进行定制选择。

第二方面，本发明实施例还提供了一种高光谱相机，所述高光谱相机包括上述第一方面中所述的高光谱成像系统，还包括外壳；

所述高光谱成像系统设置于所述外壳内部。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述高光谱相机还包括：USB接口；

所述USB接口的一端与所述高光谱成像系统的数据存储模块连接，另一端与USB数据线连接，用于将所述数据存储模块中存储的多个不同波段的高光谱图像导入至终端设备，以对所述多个不同波段的高光谱图像进行分析。

第三方面，本发明实施例还提供了一种高光谱相机系统，所述高光谱相机系统包括上述第二方面中所述的高光谱相机，还包括：支撑架；

所述支撑架用于支撑所述高光谱相机。

本发明实施例带来了以下有益效果：

在现有的高光谱成像系统中，采用色散分光技术进行分光时，得到的高光谱图像存在光谱混叠度高，光谱范围窄，且成像系统的紧凑性较低的技术问题。与现有的高光谱成像系统相比，本发明的高光谱成像系统中，在探测器的像平面上以镀膜的方式设置有不同透过波长的滤光片，同一透过波长的滤光片在像平面上由像平面的中心向边缘呈放射的形式排列，这样，在进行高光谱成像时，控制模块控制电机工作，进而电机带动探测器以其中心为轴对目标物体进行旋转扫描，这样，目标物体反射的光通过物镜进入，再通过不同透过波长的滤光片进行分光，进而经由探测器的信号变换，得到目标物体的多个不同波段的高光谱图像。该高光谱成像系统通过在探测器的像平面上以镀膜的方式设置不同透过波长的滤光片进行分光，得到的高光谱图像的光谱分辨率高，不存在光谱混叠的现象，并且光谱覆盖范围广，成像系统的集成度高，缓解了在现有的高光谱成像系统中，采用色散分光技术进行分光时，得到的高光谱图像存在光谱混叠度高，光谱范围窄，且成像系统的紧凑性较低的技术问题。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种高光谱成像系统的连接结构示意图；

图2为本发明实施例提供的不同透过波长的滤光片在像平面上的排列示意图；

图3为本发明实施例提供的探测器的示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种高光谱成像系统的连接结构示意图。

图标：

11-物镜；12-探测器；13-控制模块；14-电机；15-数据存储模块；16-电源模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种高光谱成像系统进行详细介绍。

实施例一：

一种高光谱成像系统，参考图1，该系统包括：高光谱成像模块，控制模块13和电机14；

高光谱成像模块包括：物镜11和探测器12，探测器12的像平面上以镀膜的方式设置不同透过波长的滤光片，同一透过波长的滤光片在像平面上由像平面的中心向边缘呈放射的形式排列；

控制模块13分别与探测器12和电机14连接，控制模块13用于控制电机14工作，以使电机14带动探测器12以其中心为轴对目标物体进行旋转扫描，得到目标物体的多个不同波段的高光谱图像。

下面先对高光谱成像技术和滤光片分光技术进行解释：

高光谱成像技术：高光谱成像技术是基于非常多的窄波段的影像数据技术，它将成像技术与光谱技术相结合，同时探测目标的几何信息及光谱信息，获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据。

滤光片分光技术：滤光片分光技术是指每次只测量同一目标某一波长的图像数据，然后通过改变滤光透过波长来获取目标的光谱数据。

在本发明实施例中，发明人设计了一个面阵探测器12，不同透过波长的滤光片以薄膜的形式镀在探测器12像平面的每个像元上。具体的，将不同透过波长的滤光片由像平面的中心向边缘呈放射的形式镀在像元表面，这样从物镜11进入的光经过不同透过波长的滤光片后，就能得到不同波段的光，实现了高光谱成像系统的分光要求。

具体的，滤光片在像平面上的排列方式如图2所示，图中不同的灰度值代表不同透过波长的滤光片，位于同一灰度值阵列的滤光片具有相同的透过波长。图2中两条带箭头的线所对应的阵列表示相同透过波长的滤光片，图中只示出了两条。成像时以线阵的形式对目标物体进行扫描，能够获取得到多个不同波段的高光谱图像。其中，探测器12的结构示意图如图3所示。

上述高光谱成像模块主要用于获取目标物体的几何信息和光谱信息；控制模块13主要负责高光谱成像模块中探测器12的工作和数据存储；电机14控制探测器12的旋转。

将目标物体放置于物镜11前方，工作时，控制模块13给电机14发送工作的命令，电机14开始带动探测器12以其中心为轴对目标物体进行旋转扫描，这样，由目标物体反射的光进入物镜11，再经不同透光波长的滤光片进行滤光到达探测器12，经探测器12的信号转换得到目标物体的多个不同波段的高光谱图像。

本发明的高光谱成像系统中，在探测器12的像平面上以镀膜的方式设置有不同透过波长的滤光片，同一透过波长的滤光片在像平面上由像平面的中心向边缘呈放射的形式排列，这样，在进行高光谱成像时，控制模块13控制电机14工作，进而电机14带动探测器12以其中心为轴对目标物体进行旋转扫描，这样，目标物体反射的光通过物镜11进入，再通过不同透过波长的滤光片进行分光，进而经由探测器12的信号变换，得到目标物体的多个不同波段的高光谱图像。该高光谱成像系统通过在探测器12的像平面上以镀膜的方式设置不同透过波长的滤光片进行分光，得到的高光谱图像的光谱分辨率高，不存在光谱混叠的现象，并且光谱覆盖范围广，成像系统的集成度高，缓解了在现有的高光谱成像系统中，采用色散分光技术进行分光时，得到的高光谱图像存在光谱混叠度高，光谱范围窄，且成像系统的紧凑性较低的技术问题。

上述内容对本发明实施例中的高光谱成像系统进行了整体介绍，下面对其中涉及到的具体内容进行详细描述。

可选地，参考图4，该系统还包括：数据存储模块15；

数据存储模块15用于存储多个不同波段的高光谱图像。

可选地，参考图4，该系统还包括：电源模块16；

电源模块16分别与控制模块13，电机14，探测器12连接，用于为控制模块13，电机14，探测器12进行供电。

具体的，电源模块16包括：电池；探测器12包括：CMOS传感器。

可选地，当旋转扫描时，探测器12将透过滤光片的光信号转换为电信号，并通过模数转换，得到多个不同波段的高光谱图像。并将多个不同波段的高光谱图像保存至数据存储模块15中。

可选地，滤光片可根据实际需求进行定制选择。

本发明的主要功能介绍如下：

1、提高了高光谱成像系统的光谱覆盖范围：通过在像平面的像元上镀膜的方式，将分光模块(即滤光片)与探测器模块相结合，减少了成像系统的复杂度，相较于色散型分光等其他分光方式其光谱覆盖范围更广，光谱分辨率更高；

2、旋转快速成像：通过旋转式扫描方式，以像平面中心为轴进行旋转成像，在进行扫描成像的同时，记录了光谱信息和几何信息。旋转式的成像方式相较于推扫式的成像方式，提高了成像的速度；

3、结合旋转式的成像方式，能够简化运动部件，使成像系统更易于实现，系统的集成度更高，高光谱图像的中心位置具有更高的分辨率，对于关键目标信息的获取具有重要意义。

实施例二：

一种高光谱相机，该高光谱相机包括上述实施例一中高光谱成像系统，还包括外壳；

高光谱成像系统设置于外壳内部。

可选地，高光谱相机还包括：USB接口；

USB接口的一端与高光谱成像系统的数据存储模块连接，另一端与USB数据线连接，用于将数据存储模块中存储的多个不同波段的高光谱图像导入至终端设备，以对多个不同波段的高光谱图像进行分析。

实施例三：

一种高光谱相机系统，该高光谱相机系统包括上述实施例二中的高光谱相机，还包括：支撑架；

支撑架用于支撑高光谱相机。

本发明实施例所提供的高光谱成像系统、高光谱相机及高光谱相机系统的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高光谱成像系统，其特征在于，所述系统包括：高光谱成像模块，控制模块和电机；

所述高光谱成像模块包括：物镜和探测器，所述探测器的像平面上以镀膜的方式设置不同透过波长的滤光片，同一透过波长的滤光片在所述像平面上由所述像平面的中心向边缘呈放射的形式排列；

所述控制模块分别与所述探测器和所述电机连接，所述控制模块用于控制所述电机工作，以使所述电机带动所述探测器以其中心为轴对目标物体进行旋转扫描，得到所述目标物体的多个不同波段的高光谱图像。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：数据存储模块；

所述数据存储模块用于存储所述多个不同波段的高光谱图像。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：电源模块；

所述电源模块分别与所述控制模块，所述电机，所述探测器连接，用于为所述控制模块，所述电机，所述探测器进行供电。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述电源模块包括：电池。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述探测器包括：CMOS传感器。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

当旋转扫描时，所述探测器将透过所述滤光片的光信号转换为电信号，并通过模数转换，得到所述多个不同波段的高光谱图像。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述滤光片可根据实际需求进行定制选择。

8.一种高光谱相机，其特征在于，所述高光谱相机包括上述权利要求1至7中任一项所述的高光谱成像系统，还包括外壳；

所述高光谱成像系统设置于所述外壳内部。

9.根据权利要求8所述的高光谱相机，其特征在于，所述高光谱相机还包括：USB接口；

所述USB接口的一端与所述高光谱成像系统的数据存储模块连接，另一端与USB数据线连接，用于将所述数据存储模块中存储的多个不同波段的高光谱图像导入至终端设备，以对所述多个不同波段的高光谱图像进行分析。

10.一种高光谱相机系统，其特征在于，所述高光谱相机系统包括上述权利要求8或权利要求9中所述的高光谱相机，还包括：支撑架；

所述支撑架用于支撑所述高光谱相机。