CN110887564A - 一种运动目标光谱的监测装置及监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种运动目标光谱的监测装置及监测方法，涉及成像光谱技术领域，解决现有成像光谱仪测量实时性较差以及现有高光谱视频相机信噪比低、数据冗余的问题，前置镜头、DMD、平面反射镜A、平面反射镜B、成像转接镜头、准直镜组、分光元件、聚焦镜组、灰度相机和彩色相机；前置镜头将目标光线会聚于DMD上，用于将入射光线分为两种状态，一种状态是光经过平面反射镜A和成像转接镜头后进入所述彩色相机，另一种是光经过平面反射镜B和准直镜组后进入所述分光元件进行色散，色散后的光线经所述聚焦镜组会聚到所述灰度相机上；本发明能够同时获得目标的动态空间信息和光谱信息，且具有光谱分辨率高、实时性强、信噪比好、数据量少便于储存的特点。
Description
技术领域
本发明涉及成像光谱技术领域，具体涉及一种运动目标光谱的监测装置及监测方法，适用于高光谱视频相机领域。
背景技术
高光谱相机是一种将光谱学和成像技术结合起来的仪器，可以同时观测目标区域的空间信息、光谱信息和辐射信息，提升了相机所获得的信息维度。
由于组成各种物质的不同原子对太阳光的吸收情况不同，不同物质都有其独特的光谱，犹如人的指纹一样各不相同。因此，通过探测不同物质的发射和吸收光谱，可以揭示目标的本质物理属性。因此高光谱相机可以突破复杂环境、光照变化以及伪装材料的干扰，有效提升目标探测的准确性，已广泛运用于军事、医疗、安全、科学观测等诸多领域。但是传统高光谱相机大多牺牲时间信息或者空间信息来换取光谱信息，采用时序曝光或者空间扫描的策略，无法获得高光谱在时间维度上的变化，只能用于观测静态样本。
为了获得目标区域的动态信息，专利CN 109540294 A发明了一种电子扫描式的高光谱相机，通过狭缝的快速平移来实现对面阵区域的快速扫描，但是其帧频只有10Hz，实时性差；专利CN 108254072 A采用双光路的成像方法，一条支路进行彩色视频拍摄，另一条支路进行光谱扫描，同时实现了高帧频和高光谱，但是分束镜的存在削弱了每一路的光能，再加上光谱支路短曝光时间的设计，使得该方法难以保证所获得光谱的信噪比。另外，专利CN109540294 A和专利CN 108254072 A所述的方法都记录了整个视场数百通道的光谱信息，导致高光谱视频的数据量量比传统视频高出两个数量级，且有大量的数据冗余，增大了数据存储和分析的压力，限制了高光谱视频相机的应用。
发明内容
本发明为解决现有成像光谱仪测量实时性较差以及现有高光谱视频相机信噪比低、数据冗余的问题，提供一种运动目标光谱的监测装置及监测方法。
一种运动目标光谱的监测装置，包括前置镜头、DMD、平面反射镜A、成像转接镜头、彩色相机、平面反射镜B、准直镜组、分光元件、聚焦镜组和灰度相机；
所述DMD位于所述前置镜头的焦面处，用于将入射光线分为两路，一路光经过平面反射镜A和成像转接镜头后进入所述彩色相机，另一路光经过平面反射镜B和准直镜组后进入所述分光元件进行色散，色散后的光线经所述聚焦镜组会聚到所述灰度相机上；所述彩色相机获得目标区域的空间图像，所述灰度相机获得目标区域的光谱信息；同一时刻，所述运动目标某一像素点的光能量只能进入灰度相机或彩色相机；所述彩色相机上的像素点和DMD上的微反射镜具有一一对应的关系，通过驱动DMD，对空间图像上任意兴趣像素点进行光谱分析，同时获得光谱所对应的图像位置，将彩色相机和灰度相机的数据进行融合。
一种运动目标光谱的监测方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、采用彩色相机实时检测运动目标，根据获得的运动目标位置信息改变DMD的翻转状态；
步骤二、采用灰度相机采集运动目标的部分空间点的光谱信息，同时，采用彩色相机采集目标其他点的空间信息；
步骤三、根据彩色相机像素点与灰度相机色散单元之间的对应位置信息，融合所述彩色相机和灰度相机在同一时刻的数据，获得运动目标的全部空间信息和部分空间点的光谱信息，即单帧图像的稀疏光谱数据立方体；
步骤四、下一曝光时刻，重复步骤二和步骤三，获得所述运动目标实现多帧频的光谱监测。
本发明的有益效果：本发明所述的监测装置，具有光谱分辨率高、实时性强、信噪比高、数据量少便于储存的特点。
本发明通过彩色相机识别运动目标，并实时驱动数字微镜器件(DMD)选择运动目标的像素点进行光谱分析，因此可以同时获得动态目标的空间信息和动态目标采样像素点的光谱信息。
本发明所有色散单元均为单次曝光获得，能降低目标运动可能造成的光谱失配现象，并且具有光谱分辨率高、实时性强的特点
本发明通过生成多帧频图像的稀疏光谱数据立方体，从而对运动目标实现光谱监测，仅需储存空间信息和采样点的光谱信息，大大降低了数据量，便于数据储存和传输，且拥有更高的时间分辨率。
附图说明
图1为本发明所述的一种运动目标光谱的监测装置光路图；
图中：1、前置镜头，2、DMD，3、平面反射镜A，4、成像转接镜头，5、彩色相机，6、平面反射镜B，7、准直镜组，8、分光元件，9、聚焦镜组，10、灰度相机。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，一种运动目标光谱的监测装置，包括前置镜头1、DMD2、平面反射镜A 3、平面反射镜B 6、成像转接镜头4、准直镜组7、分光元件8、聚焦镜组9、灰度相机10和彩色相机5；
所述DMD2位于所述前置镜头的焦面处，目标视场光经过前置镜头1会聚于DMD2上，DMD2上的每一个微反射镜对应一个目标像素点。
DMD2上的每个微反射镜相互独立且均有a、b两种旋转状态。当微反射镜处于状态a时，其所对应目标像素点的全部光能量经过平面反射镜A 3和成像转接镜头4后进入所述彩色相机5；当微反射镜处于状态b时，其所对应目标像素点的全部光能量经过平面反射镜B 6和准直镜组7后进入所述分光元件8进行色散，色散后的光线经所述聚焦镜组9会聚到所述灰度相机10上；
本实施方式中，所述彩色相机5可以获得目标区域的空间图像，所述灰度相机10可以获得目标区域的光谱信息。目标某一像素点的光能量只能进入灰度相机10和彩色相机5中的一个，增加了灰度相机10获得的光谱能量；
本实施方式中，通过机械和光学校准，彩色相机5上的像素点和DMD2的微反射镜具有一一对应关系，通过驱动DMD2，可以对空间图像上任意兴趣像素点进行光谱分析，同时又能准确获得光谱所对应的图像位置，有助于彩色相机5和灰度相机10的数据融合；
本实施方式中，所述DMD2实时可变，可快速调整微反射镜阵列的翻转状态，改变进入光谱支路的目标像素点，从而追踪运动目标并采集其光谱。
本实施方式中，所述彩色相机5上的每个像素单元在所述灰度相机10中都有一个占n×1个像素的色散单元与之对应，通过控制所述DMD2上相邻反射镜的翻转状态，使两个色散单元之间至少间隔一个像元。
具体实施方式二、本实施方式为采用具体实施方式一所述的一种运动目标光谱的监测装置的监测方法，具体步骤为：
步骤一、通过彩色相机5实时检测运动目标；
步骤二、根据运动目标位置信息改变DMD2的翻转状态，用灰度相机10采集运动目标部分点的光谱信息，同时用彩色相机5采集目标其他点的空间信息；
步骤三、根据彩色相机5像素点和灰度相机10色散单元之间的对应位置信息，融合两个相机在同一时刻的数据，得到运动目标的全部空间信息和部分空间点的光谱信息，即单帧图像的稀疏光谱数据立方体；
步骤四、对下一曝光时刻的运动目标重复步骤二和步骤三的操作，从而对所述运动目标实现多帧频的光谱监测。
以上所述仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围不限于此，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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的公知技术。
Claims (4)
1.一种运动目标光谱的监测装置，包括前置镜头(1)、DMD(2)、平面反射镜A(3)、成像转接镜头(4)、彩色相机(5)、平面反射镜B(6)、准直镜组(7)、分光元件(8)、聚焦镜组(9)和灰度相机(10)；其特征是：
所述DMD(2)位于所述前置镜头(1)的焦面处，用于将入射光线分为两路，一路光经过平面反射镜A(3)和成像转接镜头(4)后进入所述彩色相机(5)，另一路光经过平面反射镜B(6)和准直镜组(7)后进入所述分光元件(8进行色散，色散后的光线经所述聚焦镜组(9)会聚到所述灰度相机(10)上；
所述彩色相机(5)获得目标区域的空间图像，所述灰度相机(10)获得目标区域的光谱信息，同一时刻，所述运动目标某一像素点的光能量只能进入灰度相机(10)或彩色相机(5)；
所述彩色相机(5)上的像素点和DMD(2)上的微反射镜具有一一对应的关系，通过驱动DMD(2)，对空间图像上任意兴趣像素点进行光谱分析，同时获得光谱所对应的图像位置，将彩色相机(5)和灰度相机(10)的数据进行融合。
2.根据权利要求1所述的一种运动目标光谱的监测装置，其特征在于：通过调整所述DMD(2)的翻转状态，选择进行色散的目标像素点，实现追踪运动目标并采集光谱信息。
3.根据权利要求1所述的一种运动目标光谱的监测装置，其特征在于：所述彩色相机(5)上的每个像素单元在所述灰度相机(10)中都有一个占n×1个像素的色散单元与之对应，通过控制所述DMD(2)上相邻反射镜的翻转状态，使灰度相机(10)两个色散单元之间至少间隔一个像元。
4.根据权利要求1所述的一种运动目标光谱的监测装置的监测方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：
步骤一、采用彩色相机(5)实时检测运动目标，根据获得的运动目标位置信息改变DMD(2)的翻转状态；
步骤二、采用灰度相机(10)采集运动目标的部分空间点的光谱信息，同时，采用彩色相机(5)采集目标其他点的空间信息；
步骤三、根据彩色相机(5)像素点与灰度相机(10)色散单元之间的对应位置信息，融合所述彩色相机(5)和灰度相机(10)在同一时刻的数据，获得运动目标的全部空间信息和部分空间点的光谱信息，即单帧图像的稀疏光谱数据立方体；
步骤四、下一曝光时刻，重复步骤二和步骤三，获得所述运动目标实现多帧频的光谱监测。
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