CN111912392A - 一种基于轮转式滤光片的无人机用轻型光谱成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于轮转式滤光片的无人机用轻型光谱成像装置，属于光谱成像技术领域；现有技术中包括摄像装置的无人体积较大，质量重；本发明提供了一种无人机用光谱成像装置，其中所述轮转式滤光片包括多个扇片以及设置在其上的滤光矩阵，所述滤光矩阵包括A*B个单元，每个单元包括M*N个像素元，单元内不同像素元上的带通薄膜中心波长各异；采用该技术的画幅式高光谱相机不仅具有结构紧凑，体积小，重量轻等优势，而且解决了二维空间信息和目标波段所有光谱信息无法同时获取的难题。

Description

一种基于轮转式滤光片的无人机用轻型光谱成像装置

技术领域

本发明涉及无人机成像技术领域，具体地涉及一种基于轮转式滤光片的无人机用轻型光谱成像装置。

背景技术

无人机成像技术不仅在无线自拍杆、运动摄像机，乃至摄影摄像等商业领域得到应用，而且正在众多商业、政府和公共安全领域逐步得到推广。目前，越来越多的无人机正在取代直升飞机，用于高压电线的现场检查之中，毕竟直升飞机费用高昂，有时濒临危险。无人机广泛地应用与航空摄影、能源、森林管理、测绘、油气、农业、植被、野生动物监测，以及秘密行动、应急相应、有效载荷交付、安全监控、战术行动、搜寻与救援、执法、甚至医疗手术等领域。

航空成像尤其自身地要求。在解决飞行控制、高级分析、视频拼接和无线网络应用等方面的问题时，无人机内置系统会比其他移动设备队处理能力要求更高一些。系统单芯片可录制视频，与此同时，如需在地面进行预览和分享，可通过WIFI实现网络视频直播。借助电子稳像技术和图像复原这类软件功能，我们可拍摄出全景视频，从而减轻了队机械万向节的依赖。无人机的很多应用程序也离不开独特的摄像机和光学器件。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了以下技术方案：一种基于轮转式滤光片的无人机用轻型光谱成像装置，其特征在于：所述装置包括：中央处理器、飞行管理模块、图像获取模块、存储及传输模块以及电源模块；其中所述电源模块为中央处理器、飞行管理模块、图像获取模块以及存储及传输模块提供电源；

所述图像获取模块包括光学系统、轮转式滤光片和感光元件；光线经过所述光学系统和所述轮转式滤光片成像于所述感光元件上；

所述轮转式滤光片包括多个扇片以及设置在其上的滤光矩阵，所述滤光矩阵包括A*B个单元，每个单元包括M*N个像素元，单元内不同像素元上的带通薄膜中心波长各异。

优选地，所述滤光矩阵需满足以下条件，D≤(D₁/2)D₂/F；其中D为所述滤光矩阵相邻单元之间的间隔，D₁是所述光学系统的通光孔径，D₂是所述轮转式滤光片到感光元件的距离，F是所述光学系统的焦距。

优选地，所述飞行管理模块根据中央处理的控制命令对无人机飞行路径、飞行速度、空中姿态进行管理；所述图像获取模块用于航拍及摄影，并将获取的影像经所述中央处理器处理存储于所述存储及传输模块中，并可传输给上位机；所述存储及传输模块用于接收上位机的控制指令，并将控制指令传输给所述中央控制器，并反馈所述无人机的定位及飞行状态，以及传输所述图像获取模块获得的影像。

优选地，所述感光元件是CCD面阵探测器。

优选地，所述中央处理器包括图像处理模块，所述图像处理模块对所述图像获取模块获取的二维空间数据进行傅里叶变换。

优选地，所述傅里叶变换为

其中所述二维空间数据尺寸为M*N，f(x,y)是所述二维空间数据的像素点；

而成像光束通过滤光片通过以下公式表示：

G(μ,ν)＝F(μ,ν)H(μ,ν) (2)

其中H(μ,ν)是光束通过所述轮转式滤光片的变换函数；

再对G(μ,ν)进行反傅里叶变换得到去除斑纹的二维空间数据：

图像函数f′(x，y)即为去除斑纹的二维空间图像。

本发明还提供了一种利用上述成像装置的成像方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤(1)：利用所述图像获取模块获取图像；

步骤(2)：所述图像处理模块对所述图像获取模块获取的二维空间数据进行傅里叶变换得到去除斑纹的二维空间图像。

与现有技术方案相比，本发明至少具有以下发明点及相应的有益效果：

(1)本发明滤色器采用轮转式，并且每个扇形滤光片上具体采用矩阵滤光片，这种高光谱相机单次凝视成像可以获取不同空间行对应的不同光谱信息，大大提供了工作效率，节省时间；

(2)为了防止光线重叠，影响图像，矩阵滤光片相邻单元之间的间隔需要满足D≤(D₁/2)D₂/F；

(3)为了提高图像质量，还需要进行图像处理，对高光谱相机获取的图像进行傅里叶变换获得去噪之后的高质量图像。

附图说明

图1是本发明无人机结构框图；

图2是本发明无人机的相机高光谱相机的光学结构图；

图3是本发明高光谱相机的滤色器结构图；

图4是本发明滤色器上的滤光片结构示意图；

图中：光学系统1、滤色器2、以及感光元件3、扇形滤光片21、矩阵型滤光片22、像素元221。

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

如图1所示，本发明的无人机包括中央处理器、飞行管理模块、图像获取模块、存储及传输模块以及电源模块；其中电源模块为中央处理器、飞行管理模块、图像获取模块以及存储及传输模块提供电源；飞行管理模块根据中央处理的控制命令对无人机飞行路径、飞行速度、空中姿态等进行管理；图像获取模块用于航拍及摄影，并将获取的影像经中央处理器处理存储于存储及传输模块中，并可传输给上位机；存储及传输模块用于接收上位机的控制指令，并将控制指令传输给中央控制器，并反馈无人机的定位及飞行状态，以及传输图像获取模块获得的影像。

其中飞行管理模块包括：陀螺仪，用于无人机的飞行姿态感知，GPS模块用于全球定位，还用于水平位置高度定位，以及控制电路组成；飞行管理模块是自动保持飞机的正常飞行姿态以及图像获取时飞行姿态的控制；

飞行管理模块可分为飞行模式和摄影模式，系统默认的设置是：在飞行模式下，飞行管理模块一般通过控制各轴桨叶的转速来控制无人机的姿态，以实现转弯、爬升、俯冲、横滚等动作；而在摄影模式下，无人机悬停，待摄影结束，继续按照线路飞行；无人机使用者也可手动更改默认设置，如在匀速直线飞行时，完成摄影动作。

其中图像获取模块为高光谱相机，如图2所示，高光谱相机包括光学系统1、滤色器2、以及感光元件3；其中将滤色片2直接放置在感光元件3前端或者表面，进而通过凝视曝光成像获取二维空间的高光谱信息。其中光学系统1可以包括汇聚透镜，感光元件3可以为CCD面阵探测器；

由于无人机在空中的姿态并不是十分的稳定，虽然有飞行管理模块进行姿态控制，而高光谱相机利用空间重叠率即可保证相邻帧的成像数据能够顺利拼接，对姿态修正的要求不高，因此更加适合无人机；

本发明采用的滤色器2为转轮式滤色器，如图3所示，每个转轮式滤色器包括多个扇形滤光片21，其具体数量根据相机的通光孔径进行调整，每个扇形滤光片21上都设置由矩阵型滤光片22，矩阵型滤光片22通过多层膜介质干涉滤光片或镀膜的方式实现；每个扇形滤光片21上的矩阵型滤光片22滤光波长都不相同，可根据任务实际需要具体设置和选择。

其中矩阵型滤光片22包括A*B个单元，每个单元包括M*N个像素元221，单元内不同像素元上镀中心波长各异的带通薄膜；如图4所示，每个像素元221上的带通波长都不相同。

由于相邻单元之间的光线会有部分交叠，因此，矩阵型滤光片22的每个单元包括位于其中部的矩阵像素和位于四周的留白，为了避免光线的交叠，需满足以下的要求，D/(D₁/2)≤D₂/F，即D≤(D₁/2)D₂/F；其中D为矩阵滤光片相邻单元之间的间隔，D₁光学系统1的通光孔径，D₂是滤光片2到感光元件3的距离，F是光学系统1的焦距。

CCD面阵探测器光谱维的每一行探测像素元接收与滤光片透过波长相对应的光谱带能量，所以单个矩阵型滤光片即可覆盖较宽的光谱范围；具体地，扫描一行时，高光谱相机进行多次曝光成像实现翼展方向的大视场覆盖。这种高光谱相机单次凝视成像可以获取不同空间行对应的不同光谱信息，进而将不同时刻探测器光谱维不同行的输出信号组合即可得到每一个空间行的光谱信息。

采用该技术的画幅式高光谱相机不仅具有结构紧凑，体积小，重量轻等优势，而且解决了二维空间信息和目标波段所有光谱信息无法同时获取的难题。

中央处理器包括图像处理模块，图像处理模块首先对图像获取模块获取的单帧高光谱图像进行解算，得到了同时包含二维空间数据和一维高光谱数据的数据，然后对二维空间数据进行傅里叶变换，具体公式如下：

其中单帧高光谱图像的二维空间数据尺寸为M*N，f(x,y)是二维空间数据的像素点；

而成像光束通过滤光片可通过以下公式表示：

G(μ,ν)＝F(μ,ν)H(μ,ν) (2)

其中H(μ,ν)是光束通过滤光片的变换函数；

再对G(μ,ν)进行反傅里叶变换得到去除斑纹的二维空间数据：

图像函数f′(x，y)即为去除斑纹的二维空间图像；将图像函数f′(x，y)存储于存储及传输模块中，并可传输给上位机。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (7)

1.一种基于轮转式滤光片的无人机用轻型光谱成像装置，其特征在于：所述装置包括：中央处理器、飞行管理模块、图像获取模块、存储及传输模块以及电源模块；其中所述电源模块为中央处理器、飞行管理模块、图像获取模块以及存储及传输模块提供电源；

所述图像获取模块包括光学系统、轮转式滤光片和感光元件；光线经过所述光学系统和所述轮转式滤光片成像于所述感光元件上；

所述轮转式滤光片包括多个扇片以及设置在其上的滤光矩阵，所述滤光矩阵包括A*B个单元，每个单元包括M*N个像素元，单元内不同像素元上的带通薄膜中心波长各异；

所述滤光矩阵需满足以下条件，D≤(D₁/2)D₂/F；其中D为所述滤光矩阵相邻单元之间的间隔，D₁是所述光学系统的通光孔径，D₂是所述轮转式滤光片到感光元件的距离，F是所述光学系统的焦距。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述飞行管理模块根据中央处理的控制命令对无人机飞行路径、飞行速度、空中姿态进行管理；所述图像获取模块用于航拍及摄影，并将获取的影像经所述中央处理器处理存储于所述存储及传输模块中，并可传输给上位机；所述存储及传输模块用于接收上位机的控制指令，并将控制指令传输给所述中央控制器，并反馈所述无人机的定位及飞行状态，以及传输所述图像获取模块获得的影像。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述感光元件是CCD面阵探测器。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述中央处理器包括图像处理模块，所述图像处理模块对所述图像获取模块获取的二维空间数据进行傅里叶变换。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述傅里叶变换为

其中所述二维空间数据尺寸为M*N，f(x,y)是所述二维空间数据的像素点；

而成像光束通过滤光片通过以下公式表示：

G(μ,ν)＝F(μ,ν)H(μ,ν) (2)

其中H(μ,ν)是光束通过所述轮转式滤光片的变换函数；

再对G(μ,ν)进行反傅里叶变换得到去除斑纹的二维空间数据：

图像函数f′(x，y)即为去除斑纹的二维空间图像。

6.利用权利要求1-5中任一的成像装置的成像方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤(1)：利用所述图像获取模块获取图像；

步骤(2)：所述图像处理模块对所述图像获取模块获取的二维空间数据进行傅里叶变换得到去除斑纹的二维空间图像。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述中央处理器包括图像处理模块，所述图像处理模块对所述图像获取模块获取的二维空间数据进行傅里叶变换；

所述傅里叶变换为

其中所述二维空间数据尺寸为M*N，f(x,y)是所述二维空间数据的像素点；

而成像光束通过滤光片通过以下公式表示：

G(μ,ν)＝F(μ,ν)H(μ,ν) (2)

其中H(μ,ν)是光束通过所述轮转式滤光片的变换函数；

再对G(μ,ν)进行反傅里叶变换得到去除斑纹的二维空间数据：

图像函数f′(x，y)即为去除斑纹的二维空间图像。

Images