CN109521415A - 辐射校正装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辐射校正装置及系统，所述辐射校正装置包括：控制器、成像模块；所述控制器用于在接收到采集指令时控制所述成像模块获取反射影像，并根据所述反射影像对同一时刻外设设备获取的环境影像进行校正。本发明能实现多光谱相机的成像装置在作业曝光的同时，同步采集机载窄带宽多光谱相机所处的环境下，对应波段的反射影像，进而获取其辐亮度值数据，并根据该辐亮度值数据修正多光谱相机所获取的环境影像的辐射特性，实现对影像数据的精确辐射校正。

Description

辐射校正装置及系统

技术领域

本发明涉及图像传感器的辐射定标领域，特别涉及一种应用于无人机的机载窄带宽多光谱相机的成像模块的辐射校正装置及系统。

背景技术

遥感数据的辐射校正是遥感数据定量化的基本环节，只有通过辐射校正才能得到成像模块(图像传感器)对应像元、地物的实际辐射亮度值与成像模块本身的相对值之间的关系，进而对计算结果进行验证和修正。

目前，使用最广泛的辐射定标方法为利用已知标准反射体的辐射特性修正待测目标的辐射特性，或利用地物光谱仪获取地物反射率及太阳辐照度，进而实现辐射校正的目的。但是由于轻小型无人机飞行高度低，所搭载的成像模块画幅较小，若使用这种辐射定标方法，则需大面积铺设反射板。

法国Parrot公司研发的Sequoia多光谱传感器配有可安置在无人机机身顶部的太阳光传感器，可获得Sequoia多光谱传感器四波段对应的辐照度值，实现了机载实时校正。但是太阳光传感器所带的鱼眼镜头视场角大，在观测角度直对太阳高度角时会出现炫光，且太阳光传感器所得到的是所有光源的辐照度总和，不代表环境光成分，校正误差较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中对无人机采集的环境影像进行校正的方法误差较大的缺陷，提供一种辐射校正装置及系统。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种辐射校正装置，所述辐射校正装置包括：控制器、成像模块；

所述控制器用于在接收到采集指令时控制所述成像模块获取反射影像，并根据所述反射影像对同一时刻外设设备获取的环境影像进行校正。

其中，外设设备例如无人机。

较佳地，所述辐射校正装置还包括：

反射本体，所述反射本体设有漫反射板；

入射本体，所述入射本体与所述反射本体具有一夹角；

所述成像模块设于所述入射本体上，且位于靠近所述漫反射板的一侧；

所述漫反射板用于将光源反射至所述成像模块。

较佳地，所述辐射校正装置还包括连接装置；

所述连接装置的两端分别连接所述反射本体和所述入射本体；

所述连接装置用于调节所述反射本体和所述入射本体之间的夹角。

较佳地，所述夹角的取值范围为30°～45°。

较佳地，所述成像模块包括感光传感器和多个成像子单元；

每个成像子单元包括：滤镜、成像光纤和微透镜；

经过所述漫反射板反射的光源经过所述滤镜、所述成像光纤和所述微透镜至所述感光传感器。

较佳地，所述成像模块包括一主成像单元和若干单通道成像单元；

所述若干单通道成像单元分散设置于所述主成像单元的周围；

所述主成像单元包括成像物镜、抗混滤波器、红外滤光片、微透镜、拜尔滤镜以及光电二极管，经过所述漫反射板反射的光源经过所述成像物镜、所述抗混滤波器、所述红外滤光片、所述微透镜、所述拜尔滤镜至所述光电二极管；

所述单通道成像单元包括滤镜、成像物镜、平行光镜以及光电二极管，经过所述漫反射板反射的光源经过所述滤镜、所述成像物镜、所述平行光镜至所述光电二极管。

较佳地，所述反射本体上设有滑槽，所述漫反射板通过所述滑槽滑入并固定于所述反射本体上。

较佳地，所述控制器包括：

辐射定标单元，用于确定所述成像模块的量子效率模型；

计算单元，用于根据所述反射影像的灰度值和所述量子效率模型计算所述反射影像的辐射亮度，并根据所述辐射亮度校正所述环境影像。

一种辐射校正系统，所述辐射校正系统包括：服务器和上述任意一项所述的辐射校正装置；

所述服务器与所述辐射校正装置和待校正的无人机通信连接；

所述服务器用于在所述辐射校正装置与所述无人机之间的距离在预设范围内时，发送所述采集指令至所述辐射校正装置。

本发明的积极进步效果在于：本发明能实现多光谱相机的成像装置在作业曝光的同时，同步采集机载窄带宽多光谱相机所处的环境下，对应波段的反射影像，进而获取其辐亮度值数据，并根据该辐亮度值数据修正多光谱相机所获取的环境影像的辐射特性，实现对影像数据的精确辐射校正。

附图说明

图1为本发明实施例1的辐射校正装置的第一结构示意图。

图2为本发明实施例1的辐射校正装置的第二结构示意图。

图3为本发明实施例1的辐射校正装置的模块示意图。

图4为本发明实施例1的辐射校正装置的安装示意图。

图5为本发明实施例2的辐射校正系统的模块示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

本实施例提供一种适用于无人机上的机载窄带宽多光谱相机的成像模块的辐射校正装置，如图1-3所示，该辐射校正装置包括：控制器6、成像模块3、反射本体4、入射本体2和连接装置5。控制器6与成像模块3电连接。反射本体4和入射本体2通过连接装置5连接。辐射校正装置采用的成像模块3的成像参数、规格、性能需与无人机上待校正的成像模块相同。

反射本体4设有漫反射板1，该漫反射板为具有一定朗伯特性标准漫反射板材，用以反射环境中的光源，也即太阳光。朗伯特性是指辐射面源射向各个方向的辐射亮度是不同的，具有方向性，若是辐亮度不随方向x(x为辐亮度方向与平面法线之间的交角)变化，这类辐射体就称为伯朗体。目前，漫反射板材涂层使用常见的复合式漫反射涂层材料包括Spectralon、Infragold、Permaflect等，其主要成分包括硫酸钡、聚四氟乙烯、水基乙烷以及其它合成化学成分等，不同材料具有不同的反射率。

反射本体上设有滑槽，漫反射板通过该滑槽滑入并固定于反射本体上，类似于抽屉式结构，用户可根据不同场景应用需求，随时更换不同反射率的标准漫反射板材。

入射本体用于安装成像模块，成像模块位于靠近漫反射板的一侧，也即成像模块朝向漫反射板，使成像模块能接收漫反射板反射的光源。

具体的，本实施例中，成像模块可采用点阵成像阵列(参见图1)或面阵成像阵列(参见图2)，用户可自行选择。其中，点阵成像装置，由于光纤集束体积小，因此点阵成像装置可以轻量化，便于集成；面阵成像装置，从装置组成与成像性能上与机载端一致，所以在数据的处理中，能减少系统差异带来的影响，可信度较高。

点阵成像阵列包括感光传感器和多个成像子单元31。每个成像子单元包括：滤镜、成像光纤和微透镜。多个成像子单元分散设置于入射本体，且成像光纤与入射本体垂直，成像光纤的入射端与漫反射板的法向量呈一定夹角。每个成像光纤的中心轴与感光传感器的中心轴平行。相邻成像子单元之间的间隔根据成像光纤视场角大小决定，需保证相邻视场无重叠。优选地，多个成像子单元采用同规格像成像光纤，且等间隔排列。滤镜的面积大于成像光纤的横截面的面积。本实施例中，滤镜的表面镀有一层氧化膜，滤镜的光学特性与无人机上的成像模块中的滤镜的光学特性相互对应。经漫反射板反射后的光源，通过滤镜，从成像光纤的入射端射入，经成像光纤传递、微透镜阵列汇聚，形成一束成像光纤集束，在感光传感器上成像，得到反射影像，反射影像上显示的是一组光斑。

面阵成像阵列包括一主成像单元32和设置在主成像单元周围的多个单通道成像单元。主成像模块包括第一面阵感光传感器，第一面阵感光传感器包括成像物镜、抗混滤波器、红外滤光片、微透镜、拜尔滤镜以及光电二极管，经过发射本体反射的光源经过成像物镜、抗混滤波器、红外滤光片、微透镜、拜尔滤镜至光电二极管。每个单通道成像单元包括第二面阵感光传感器，第二面阵感光传感器包括滤镜、成像物镜、平行光镜以及光电二极管，经过发射本体反射的光源经过滤镜、成像物镜、平行光镜至光电二极管。同样，主成像单元和单通道成像单元的滤镜外侧表面镀有一层氧化膜。滤镜的光学特性与无人机上的成像模块中的滤镜的光学特性相互对应。

连接装置5用于调节反射本体和入射本体之间的夹角，进行辐射校正时，反射本体与入射本体之间的夹角介于30°～45°较适宜，此时成像模块能最大限度的接收反射光源。

进行校正时，参见图4，将辐射校正装置固定于无人机作业附近的开阔场地上，且使装置面向太阳，避免周围环境对装置的遮挡。控制器在接收到采集指令时控制成像模块获取反射影像，该反射影像带有时间信息，表征影像的采集时刻。控制器的控制信号采用脉冲触发信号如PPS(每秒脉冲数)、PWM(脉冲宽度调制)等，利用脉冲信号的有效边沿控制成像模块完成数据采集。控制器还用于根据成像模块采集的反射影像对同一时刻无人机获取的环境影像进行校正。

具体的，控制器包括：接收单元61、辐射定标单元62、计算单元63、存储单元64和图像处理单元65。

接收单元61用于接收无人机的成像模块采集的环境影像，该环境影像统一带有时间信息，表征影像的采集时刻。接收单元还用于根据统一时间基准和影像的采集时刻的时间戳从获取的环境影像中挑选与反射影像的采集时刻相同的、同波段的环境影像，并发送至计算单元63。

存储单元64用于存储辐射校正装置的成像模块获取的反射影像。

辐射定标单元62用于对辐射校正装置的成像模块进行辐射定标，以确定辐射校正装置和无人机采用的成像模块的量子效率模型，例如：

L＝a×DN+b；

其中，L表征辐射亮度，DN表征灰度值，a和b表征量子效率模型的系数。定标方式可采用目前的常用的方法，此处不再赘述。

计算单元63用于根据该量子效率模型和从存储单元64获取的一反射影像的灰度值计算反射影像的辐射亮度，并根据辐射亮度校正环境影像，该环境影像为与该反射影像同一时刻由无人机的成像模块采集的影像。辐射校正公式如下：

其中，表征反射影像的辐射亮度；表征环境影像的辐射亮度；R_s表示漫反射板的反射率(由漫反射板的材质决定)，R_G表示地物地物反射率；L′表征校正后的环境影像的辐射亮度。

本实施例中，计算单元63在计算辐射亮度之前，还调用图像处理单元65，以从反射影像中剔除因安置环境的影响导致的异常值和与环境影像亮度变化规律不一致的影像。其中，利用直方图可以描述反射影像的亮度变化规律。亮度直方图表示每个亮度级在图像中的占有率；图像对比度是通过亮度级范围来度量的。直方图所示的是特定亮度级像素点的数目。对8位像素而言，亮度级范围为0(黑)到255(白)。由于辐射校正装置拍摄的是标准反射板的影像，因此在相同环境光下，影像亮度应表现出中心像素亮度高，从中心到边缘平滑降低的规律，若影像不符合上述规律，则应剔除。在后续处理中，主要是影像的中心区域参与计算。当所选区域中总像素数中，高亮度级所占像素数低于70％(数值可根据实际需求自行设置)，该影像作为异常影像处理，应剔除。

需要说明的是，若采用面阵成像阵列实现影像采集，图像处理单元还需要对反射影像进行图像分割，将影像分成特定的、具有独特性质的区域，根据辐射校正需求，识别并提取出有效的区域。具体的：作反射影像的直方图，如果灰度级直方图有明显的双峰状，则选择两峰之间的谷底所对应的灰度值作为阈值，然后根据阈值分割影像；通过栅格矢量化方法提取影像的有效区域。按照指定的无效值，将图像进行二值化，得到掩模图，然后通过栅格矢量化函数，生成矢量文件作为反射影像的有效数据，并发送至计算单元以进行辐射校正。

本实施例中，能实现多光谱相机的成像装置在作业曝光的同时，同步采集机载窄带宽多光谱相机所处的环境下，对应波段的反射影像，进而获取其辐亮度值数据，并根据该辐亮度值数据修正多光谱相机所获取的环境影像的辐射特性，实现对影像数据的精确辐射校正。

实施例2

本实施例提供一种适用于无人机上的机载窄带宽多光谱相机的成像模块的辐射校正系统，可实现在同一光源下完成无人机的成像模块的辐射校正。如图5所示，该辐射校正系统包括服务器(地面站)和实施例1示出的辐射校正装置，该服务器与辐射校正装置和待校正的无人机通信连接，该待校正的无人机包括成像模块。

进行校正时，安装好辐射校正装置，并进行参数设置，确保成像模块和成像模块的感光元件性能参数(尺寸、像素数和信噪比等)与成像参数(感光速度、曝光补偿、快门和白平衡等)保持一致。当无人机在航线中作业时，服务器根据数传实时日志判断无人机在航线中的位置，当辐射校正装置与无人机之间的距离在预设范围内时，服务器向辐射校正装置的控制器发送采集指令，以实现无人机在采集环境影像的同时，辐射校正装置针对每个波段完成一次反射影像的采集。

辐射校正装置的控制器在接收到采集指令时，则控制成像模块获取反射影像，实现与无人机的成像模块同步采集影像。在需要的时候，辐射校正装置根据反射影像对同一时刻无人机获取的环境影像进行校正。对于需要校正的环境影像，无人机可将环境影像直接发送给辐射校正装置，也可通过服务器将环境影像发送给辐射校正装置。

需要说明的是，当需要对多幅环境影像进行辐射校正时，服务器可发送多个采集指令至辐射校正装置；也可在采集指令中写入采集间隔，使辐射校正装置按照采集间隔获取反射影像。

而为实现系统时间基准的统一，控制器可以实现成像模块的时间授时。成像模块可同时接收触发脉冲和时钟信号，当感光传感器成像的同时，将影像存储至存储单元并实时更新事件文件，使影像带有精确的时间信息。

以下提供一种建立时间基本的可能的实现方式：由异步串行通信接口芯片、GPS接收机、GPS秒脉冲电平转换芯片、晶振组成控制器的授时单元。异步串行通信接口芯片传送高精度时标；GPS接收机接收GPS信号，并发送的GPS秒脉冲信号至GPS秒脉冲电平转换芯片；GPS秒脉冲电平转换芯片将GPS秒脉冲由差分电平转换为TTL电平；晶振用于产生稳定的时钟信号。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种辐射校正装置，其特征在于，所述辐射校正装置包括：控制器、成像模块；

所述控制器用于在接收到采集指令时控制所述成像模块获取反射影像，并根据所述反射影像对同一时刻外设设备获取的环境影像进行校正。

2.如权利要求1所述的辐射校正装置，其特征在于，所述辐射校正装置还包括：

反射本体，所述反射本体设有漫反射板；

入射本体，所述入射本体与所述反射本体具有一夹角；

所述成像模块设于所述入射本体上，且位于靠近所述漫反射板的一侧；

所述漫反射板用于将光源反射至所述成像模块。

3.如权利要求2所述的辐射校正装置，其特征在于，所述辐射校正装置还包括连接装置；

所述连接装置的两端分别连接所述反射本体和所述入射本体；

所述连接装置用于调节所述反射本体和所述入射本体之间的夹角。

4.如权利要求3所述的辐射校正装置，其特征在于，所述夹角的取值范围为30°～45°。

5.如权利要求2所述的辐射校正装置，其特征在于，所述成像模块包括感光传感器和多个成像子单元；

每个成像子单元包括：滤镜、成像光纤和微透镜；

经过所述漫反射板反射的光源经过所述滤镜、所述成像光纤和所述微透镜至所述感光传感器。

6.如权利要求2所述的辐射校正装置，其特征在于，所述成像模块包括一主成像单元和若干单通道成像单元；

所述若干单通道成像单元分散设置于所述主成像单元的周围；

所述主成像单元包括成像物镜、抗混滤波器、红外滤光片、微透镜、拜尔滤镜以及光电二极管，经过所述漫反射板反射的光源经过所述成像物镜、所述抗混滤波器、所述红外滤光片、所述微透镜、所述拜尔滤镜至所述光电二极管；

所述单通道成像单元包括滤镜、成像物镜、平行光镜以及光电二极管，经过所述漫反射板反射的光源经过所述滤镜、所述成像物镜、所述平行光镜至所述光电二极管。

7.如权利要求2所述的辐射校正装置，其特征在于，所述反射本体上设有滑槽，所述漫反射板通过所述滑槽滑入并固定于所述反射本体上。

8.如权利要求1所述的辐射校正装置，其特征在于，所述控制器包括：

辐射定标单元，用于确定所述成像模块的量子效率模型；

计算单元，用于根据所述反射影像的灰度值和所述量子效率模型计算所述反射影像的辐射亮度，并根据所述辐射亮度校正所述环境影像。

9.一种辐射校正系统，其特征在于，所述辐射校正系统包括：服务器和如权利要求1-8中任意一项所述的辐射校正装置；

所述服务器与所述辐射校正装置和待校正的无人机通信连接；

所述服务器用于在所述辐射校正装置与所述无人机之间的距离在预设范围内时，发送所述采集指令至所述辐射校正装置。