CN111351571B - 一种宽波段高光谱成像系统及其成像方法 - Google Patents

Abstract

一种宽波段高光谱成像系统，包括光源、扫描平移台、可见光成像光谱仪、近红外成像光谱仪、第一和第二姿态调节机构及计算机。光源、可见光成像光谱仪和近红外成像光谱仪分别设置在扫描平移台的上方。第一和第二姿态调节机构分别用于调节可见光和近红外成像光谱仪的姿态。计算机用于接收可见光和近红外成像光谱仪发送的高光谱数据立方体，并对接收的高光谱数据立方体进行数据融合处理，以获取可见光至近红外波段的高光谱数据立方体。本发明还公开了一种宽波段高光谱成像方法。本发明能够以较低成本可靠地获取可见光至近红外波段的数据立方体。

Description

一种宽波段高光谱成像系统及其成像方法

技术领域

本发明涉及成像光谱技术领域。

背景技术

高光谱成像技术将光谱技术与成像技术相结合，利用成像光谱仪纳米级的光谱分辨率，以几十或几百个光谱波段同时对目标成像，不仅能够获得目标的空间信息，而且能够获得目标的光谱信息。高光谱成像技术实现了地物空间信息、辐射信息、光谱信息的同步获取，具有“图谱合一”的特点，因而在相关领域具有巨大的应用价值和广阔的发展前景。目前，高光谱成像技术主要采用推扫型成像的方法，每个时刻记录光谱仪线视场内一维空间区域的全部光谱信息，配合仪器平台在另一维空间方向的扫描运动，最终得到三维成像光谱数据立方体。

不同待测目标的特征光谱分布广泛，宽波段的高光谱成像仪具有更高的应用价值和更广的应用范围。对于相对成熟的光栅分光型高光谱成像系统而言，光栅难以保证宽波段光谱范围内均具有较高的衍射效率，而且宽波段光谱范围也对透镜和镀膜材料提出了较高的技术要求，因此宽波段成像光谱仪的研发目前受限于光栅的衍射效率、光学透镜及其材料等技术瓶颈。

发明内容

本发明针对目前成像光谱仪宽波段分光模块研发难度大的问题，提供了一种宽波段高光谱成像系统,其能够以较低成本可靠地获取可见光至近红外波段的数据立方体。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种宽波段高光谱成像方法。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种宽波段高光谱成像系统，包括光源、扫描平移台、可见光成像光谱仪、近红外成像光谱仪、第一姿态调节机构、第二姿态调节机构和计算机；光源、可见光成像光谱仪和近红外成像光谱仪分别设置在扫描平移台的上方；光源用于为放置在扫描平移台上的待测目标提供照明；可见光成像光谱仪和近红外成像光谱仪分别用于采集放置在扫描平移台上的待测目标的高光谱数据立方体；第一姿态调节机构用于调节可见光成像光谱仪的姿态，第二姿态调节机构用于调节近红外成像光谱仪的姿态；计算机用于接收可见光成像光谱仪和近红外成像光谱仪发送的高光谱数据立方体，并对可见光成像光谱仪和近红外成像光谱仪发送的高光谱数据立方体进行数据融合处理，以获取可见光至近红外波段的高光谱数据立方体。

根据本发明实施例的另一方面，提供了一种宽波段高光谱成像方法，包括以下步骤：

在扫描平移台上放置一个正方形靶标，启动扫描平移台；

调节可见光成像光谱仪与近红外成像光谱仪的姿态，使得正方形靶标经两台成像光谱仪所成的图像均为矩形，且两台成像光谱仪所获得的矩形图像均有一条边平行于扫描平移台的扫描方向；

分别调整扫描平移台的扫描速度、可见光成像光谱仪和近红外成像光谱仪的采集频率，直至可见光成像光谱仪所获得的正方形靶标图像的长宽所占像素数完全相等，且近红外成像光谱仪所获得的正方形靶标图像的长宽所占像素数完全相等；即调节帧频使成像光谱仪成像速度与扫描平移台的扫描速度匹配，使成像光谱仪图像不发生失真现象；

固定其中一台成像光谱仪不动，调整另一台成像光谱仪的姿态，直至两台成像光谱仪能够获得正方形靶标位于同一线视场的图像信号和光谱信号；

将正方形靶标从扫描平移台上移开，然后将待测目标放到扫描平移台上；

计算机对可见光成像光谱仪和近红外成像光谱仪所发送的待测目标的高光谱数据立方体进行数据融合处理，以获取可见光至近红外波段的高光谱数据立方体。

本发明至少具有以下优点：

1、根据本发明实施例的宽波段高光谱成像系统，通过可见光成像光谱仪与近红外成像光谱仪进行线视场匹配，实现了在可见光至近红外波段的数据立方体获取，避免了宽波段对分光器件的过高要求；

2、可见光波段和近红外波段分别采用相应的成像光谱仪，由于这两个波段内的光谱成像技术都已较为成熟，因此整个系统更加稳定高效，且实施成本不高，有利于设备工程化；

3、同一线视场被两台成像光谱仪接收，线视场图像信息与光谱信息相同，提高了系统信噪比，降低了后续图像融合的难度。

附图说明

图1示出了根据本发明一实施例的宽波段高光谱成像系统的原理框图。

图2示出了根据本发明一实施例的宽波段高光谱成像系统的光源、扫描平移台、可见光成像光谱仪、近红外成像光谱仪的成像示意图。

图3示出了根据本发明一实施例的宽波段高光谱成像方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

如图1和图2所示，根据本发明实施例的宽波段高光谱成像系统包含光源1、扫描平移台2、可见光成像光谱仪3、近红外成像光谱仪4、第一姿态调节机构5、第二姿态调节机构6和计算机7。

光源1、可见光成像光谱仪3和近红外成像光谱仪4分别设置在扫描平移台2的上方。光源1用于为放置在扫描平移台2上的待测目标提供照明；可见光成像光谱仪3和近红外成像光谱仪4分别用于采集放置在扫描平移台2上的待测目标8的图像数据及光谱数据。可见光成像光谱仪3和近红外成像光谱仪4的工作距离及光路互不干涉。

第一姿态调节机构5用于调节可见光成像光谱仪3的姿态，第二姿态调节机构6用于调节近红外成像光谱仪4的姿态，以使所述可见光成像光谱仪3和近红外成像光谱仪4能够获得正方形靶标位于同一线视场的图像信号和光谱信号。

计算机7分别与可见近红外成像光谱仪3和近红外成像光谱仪4通信连接，用于接收可见光成像光谱仪3和近红外成像光谱仪4发送的高光谱数据立方体，并对可见光成像光谱仪3和近红外成像光谱仪发送的高光谱数据立方体进行数据融合处理，以获取可见光至近红外波段的高光谱数据立方体。

较佳地，光源1为条形光源，以满足高光谱成像线视场的均匀照明要求。在本实施例中，光源1为卤钨灯，光谱范围是320nm-2500nm。

在本实施例中，扫描平移台2的行程是300mm。可见光成像光谱仪3的光谱范围是400nm-1000nm，光谱分辨率为2.5nm，近红外成像光谱仪4的光谱范围是900nm-1700nm，光谱分辨率为3.5nm。

工作时，光源1照射至放置在扫描平移台2上的待测目标（即待测物体），载有待测目标的扫描平移台2平移运动，由可见光成像光谱仪3和近红外成像光谱仪4采集待测目标的高光谱数据，经由计算机7数据融合后显示可见光至近红外宽波段高光谱数据。

请参阅图3，根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种宽波段高光谱成像方法，其包括以下步骤：

在扫描平移台上放置一个正方形靶标，启动扫描平移台；

调节可见光成像光谱仪3与近红外成像光谱仪4的姿态，使得正方形靶标经两台成像光谱仪所成的图像均为矩形，且两台成像光谱仪所获得的矩形图像均有一条边平行于扫描平移台2的扫描方向，此时二者的线视场所在直线相互平行且垂直于扫描方向，完成了视场的初步匹配；

分别调整扫描平移台2的扫描速度、可见光成像光谱仪3和近红外成像光谱仪4的采集频率（即帧频），直至可见光成像光谱仪3所获得的正方形靶标图像的长宽所占像素数完全相等，且近红外成像光谱仪4所获得的正方形靶标图像的长宽所占像素数完全相等，此时两台成像光谱仪的成像速度与扫描平移台2的扫描速度匹配，从而使成像光谱仪的图像不会发生失真现象；

固定其中一台成像光谱仪不动，调整另一台成像光谱仪的姿态，直至两台成像光谱仪能够获得正方形靶标位于同一线视场的图像信号和光谱信号，此时完成可见光成像光谱仪3和近红外成像光谱仪4的视场完全匹配；其中，既可以固定可见光成像光谱仪3不动，调整近红外成像光谱仪4的姿态，也可以固定近红外成像光谱仪4不动，调整可见光成像光谱仪3的姿态；

将正方形靶标从扫描平移台2上移开，然后将待测目标放到扫描平移台2上；

计算机7对可见光成像光谱仪3和近红外成像光谱仪4所发送的待测目标的高光谱数据立方体进行数据融合处理，以获取可见光至近红外波段的高光谱数据立方体。

下面以获得波段400nm-1700nm的高光谱数据立方体为例，详细说明根据本发明实施例的宽波段高光谱成像方法的流程如下：

步骤S1、开启条形光源4，以满足高光谱成像线视场的均匀照明要求。在在扫描平移台2上放置一个50mm×50mm的正方形靶标，以通过正方形靶标分别调整两台成像光谱仪姿态。

步骤S2、启动扫描平移台2，使扫描平移台2按照图2所示的扫描方向运动。通过第一姿态调节机构5和第二姿态调节机构6分别调节可见光成像光谱仪3和近红外成像光谱仪4的姿态，使得正方形靶标在两台成像光谱仪中的图像均为矩形，并且矩形的一条边平行于扫描方向，即，调节可见光成像光谱仪3与近红外成像光谱仪4的线视场所在直线相互平行且垂直于扫描方向。其中，可见光成像光谱仪3的光谱范围是400nm-1000nm，近红外成像光谱仪4的光谱范围是900nm-1700nm。

步骤S3、分别调整扫描平移台2的扫描速度、可见光成像光谱仪3与近红外成像光谱仪4的帧频，直至可见光成像光谱仪3所获得的正方形靶标图像的长宽所占像素数完全相等，且近红外成像光谱仪4所获得的正方形靶标图像的长宽所占像素数完全相等，即，调节帧频使两台成像光谱仪的成像速度与扫描平移台的扫描速度相匹配，进而使得高光谱图像不会发生失真现象。

步骤S4、调节可见光成像光谱仪3的线视场，使得可见光成像光谱仪3的线视场与近红外成像光谱仪4的线视场相互匹配重合，两台成像光谱仪获得同一线视场的图像与光谱信息。

步骤S5、将正方形靶标更换为待测物品，使扫描平移台2归位，重新进行全视场扫描。扫描过程中由于两台成像光谱仪的线视场与光源1的相对位置不发生变化，因此推扫过程中线视场的光照情况完全相同。扫描结束后，计算机7获得待测物品在完全相同光照条件下的400nm-1000nm高光谱数据立方体和900nm-1700nm近红外高光谱数据立方体，也即计算机7分别获得了可见光高光谱图像与近红外高光谱图像。

步骤S6、计算机7根据图像配准算法，将获取的400nm-1000nm的图像数据与900nm-1700nm的图像数据完全匹配，然后将400nm-1000nm的光谱数据与900nm-1700nm的光谱数据结合，获得400nm-1700nm光谱数据，最终形成400nm-1700nm高光谱数据立方体，即获得了可见光至近红外宽波段高光谱数据立方体。

根据本发明实施例的宽波段高光谱成像系统通过可见光成像光谱仪与近红外成像光谱仪进行线视场匹配，实现了在可见光至近红外波段的数据立方体获取，避免了宽波段对分光器件的过高要求。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种宽波段高光谱成像系统，其特征在于，包括光源、扫描平移台、可见光成像光谱仪、近红外成像光谱仪、第一姿态调节机构、第二姿态调节机构和计算机；

所述光源、所述可见光成像光谱仪和所述近红外成像光谱仪分别设置在所述扫描平移台的上方；所述光源用于为放置在所述扫描平移台上的待测目标提供照明；所述可见光成像光谱仪和所述近红外成像光谱仪分别用于采集放置在扫描平移台上的待测目标的高光谱数据立方体；

所述第一姿态调节机构用于调节所述可见光成像光谱仪的姿态，所述第二姿态调节机构用于调节所述近红外成像光谱仪的姿态；

所述计算机用于接收可见光成像光谱仪和近红外成像光谱仪发送的高光谱数据立方体，并对可见光成像光谱仪和近红外成像光谱仪发送的高光谱数据立方体进行数据融合处理，以获取可见光至近红外波段的高光谱数据立方体。

2.如权利要求1所述的一种宽波段高光谱成像系统，其特征在于，所述可见光成像光谱仪的光谱范围是400nm-1000nm，所述近红外成像光谱仪的光谱范围是900nm-1700nm。

3.如权利要求1所述的一种宽波段高光谱成像系统，其特征在于，所述光源为条形光源。

4.一种宽波段高光谱成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

在扫描平移台上放置一个正方形靶标，启动扫描平移台；

调节可见光成像光谱仪与近红外成像光谱仪的姿态，使得正方形靶标经两台成像光谱仪所成的图像均为矩形，且两台成像光谱仪所获得的矩形图像均有一条边平行于扫描平移台的扫描方向；

分别调整扫描平移台的扫描速度、可见光成像光谱仪和近红外成像光谱仪的采集频率，直至可见光成像光谱仪所获得的正方形靶标图像的长宽所占像素数完全相等，且近红外成像光谱仪所获得的正方形靶标图像的长宽所占像素数完全相等；

固定其中一台成像光谱仪不动，调整另一台成像光谱仪的姿态，直至两台成像光谱仪能够获得正方形靶标位于同一线视场的图像信号和光谱信号；

将正方形靶标从扫描平移台上移开，然后将待测目标放到扫描平移台上；

计算机对可见光成像光谱仪和近红外成像光谱仪所发送的待测目标的高光谱数据立方体进行数据融合处理，以获取可见光至近红外波段的高光谱数据立方体。

5.如权利要求4所述的宽波段高光谱成像方法，其特征在于，正方形靶标的边长为50mm。

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