CN111988558A - 高光谱广域监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种高光谱广域监控系统，本专利核心系统包括成像光谱仪模块、监控相机模块、太阳能供电模块，其中成像光谱仪模块安装在监控相机模块的镜头前方，其中成像光谱仪模块包含光谱仪镜头、狭缝、胶合透镜、第一光楔、光栅、第二光楔，其中监控相机模块包含监控相机镜头、监控相机、云台、监控支架以及无线射频器件，云台可实现电动旋转扫描，在旋转中监控相机记录光谱图像并组合成高光谱数据，并通过数据传输器件将记录的光谱图像传送到中心计算机，其中太阳能供电模块给监控相机模块供电，本发明专利实现了广域高维数据监控系统，其中成像光谱仪模块帮助系统对目标物体的深度分析，并且本系统采用了分布式的监控模式能够监控范围更广的区域。

Description

高光谱广域监控系统

技术领域

本发明专利属于光学技术领域，具体涉及了一种利用高光谱技术来搭建广域范围的监控系统。

背景技术

随着电子技术的不断发展，监控已成为城市生活中不可或缺的一环。不论是在居住社区，还是在公共场所，监控都为人们的生活提供了重要的影像信息的记录方式。然而，当前监控设施仅仅只能用于记录影像信息，我们只能通过图像的形态对信息进行分析。

需要指出的是，当前的影像信息只包含红绿蓝三色信息，如果我们可以在当前的监控系统中集成成像光谱仪，我们就可以在获得图像信息的同时，通过光谱来进行物体的精细分析。

当前，监控系统的性能不断提升，监控系统的镜头、云台模块也越来越成熟，这为监控系统的光谱模块集成提供了很大的便利。因此，在本发明专利中，我们将通过结合监控系统的重要模块与成像光谱仪模块，提出更高数据维度的监控系统。

发明内容

本文依照目前现有技术存在的不足，提出了一种高光谱广域监控系统，该系统是在分布式监控系统的基础上，集成成像光谱仪，实现更高维度的监控。

本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明专利的高光谱监控核心系统一共包括三大模块：成像光谱仪模块、监控相机模块、太阳能供电模块，成像光谱仪模块安装在监控相机模块的镜头前方，监控相机中的云台可实现电动旋转扫描，在旋转过程中监控相机记录一系列的光谱图像，在完成旋转扫描后，这一系列的光谱图像组合为高光谱数据，并通过数据传输器件传送到中心计算机中，中心计算机保存高光谱数据并处理相应数据，太阳能供电模块为上述系统提供电能，通过在多点布置高光谱监控系统，实现广域的高光谱检测。

所述的成像光谱仪模块包含了高光谱镜头、狭缝、胶合透镜、光栅、光楔以及金属外壳，高光谱镜头用来获得目标区域的光学信号，成像在狭缝位置，通过狭缝的光学信号通过胶合透镜实现准直，准直光经过第一个光楔后发生角度偏折，并入射到光栅，透过光栅后，再经过第二个光楔实现角度的反向偏折，并传输到监控系统的相机模块。

所述监控相机模块，包含监控相机镜头、监控相机、云台、监控支架以及无线射频器件，监控相机镜头、监控相机以及云台固定在一个金属外壳内，该金属外壳固定在一个支架上，从成像光谱仪模块出射的信号，经过监控相机镜头后，聚焦在监控相机的感光芯片处，并存储在相机的内存卡中，此图像定义为光谱图像，在实际工作过程中，云台处于旋转扫描状态，同时监控相机处于视频录制状态，可录制一系列的光谱图像，存储在相机的内存卡中，无线射频器件将内存卡中的视频数据传输到中心计算机。

所述的太阳能供电模块包括了太阳能电池和电能传输元件，太阳能电池板的朝向要根据当地太阳光照的辐照角度来设置，太阳能电池板负责吸收并存储电能，由电能传输元件将太阳能电池板中的能量传输给监控系统以及数据传输模块。

所述广域的高光谱检测，是在一定空间区域内，布置多个高光谱监控系统，单个高光谱监控系统通过云台扫描获取该系统周边的高光谱数据，并分别将数据发送到中心计算机，中心计算机对所有的高光谱监控系统进行整合，实现广域高光谱检测。

所述光谱图像，是在成像光谱仪后端的感光芯片采集到的二维图像矩阵数据，定义为Img，该矩阵的维度为M×N，其中M和N是大于0的自然数，并定义横向维度为光谱维度，纵向维度为光强维度，定义Img[1：M,i]为第i行的数据，即成像空间中第i个像素的光谱数据，i为取值范围在1到N的自然数。

所述高光谱检测，在扫描成像后，将会获得k个光谱图像，定义为Img₁, Img₂,…Img_k,其中k是一个大于1的自然数，Img_t的数据结构与光谱图像数据结构相同，t为取值范围在1到k的自然数，将k个光谱图像中的每一个二维图像矩阵数据的第二个维度进行积分，可获得k个一维向量，定义为Lin₁,Lin₂,…Lin_k,将上述k个向量组合为二维矩阵，即高光谱空间图像，定义为IMG0，其维度是k×N，通过对IMG0进行观察，提取感兴趣的像素，定义感兴趣的像素为a1,a2，a1为取值范围在1到k的自然数，a2为取值范围在1到N的自然数，则该像素点对应的光谱为Img_a1[1:M,a2]，通过对该光谱进行分析，可获取物质的化学分子信息。

本发明专利的有益效果：

通过本发明专利的方法，利用分点布局高光谱成像设备的方式来实现广域的监控，高光谱所获得图像信息比普通相机所获得的图像信息要丰富的多，通过无线视频器件将高光谱数据传输到中心计算机，由中心计算机通过图像以及光谱对监控对象进行自动化处理，此外，太阳能板可为该系统的正常工作提供电能，提高了系统的使用便捷性。

附图说明

图1为高光谱监控核心系统的示意图

图2为成像光谱仪以及监控相机模块的示意图。

图3为分布式高光谱监控系统的示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地阐述本发明专利的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明专利方案的限制，任何依据本发明专利构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明专利的技术方案范畴。

实施例1：

下面结合附图1、附图2、附图3和实施例1对本发明专利作进一步说明。

本实施例可应用于广域范围的海岸水质检测中，如图1所示，高光谱监控核心系统一共包括三大模块：成像光谱仪模块、监控相机模块、太阳能供电模块，如图2所示，成像光谱仪模块安装在监控相机模块的镜头前方，监控相机8中的云台10可实现电动旋转扫描，在旋转过程中监控相机8记录一系列的光谱图像，在完成旋转扫描后，这一系列的光谱图像组合为高光谱数据，并通过数据传输模块传送到中心计算机中，中心计算机保存高光谱数据并处理相应数据，太阳能供电模块为上述系统提供电能，通过在多点布置高光谱监控系统，实现广域的高光谱检测，本专利可以运用在广域高光谱检测的很多领域，比如本专利可以在海岸按照分布式的模式布置该系统，将高光谱监控核心系统布局在海岸的各个地点，然后通过高光谱监控核心系统对各个系统所在的水域进行高光谱的监测，这样就能够获得该水域的水质信息。

如图2所示，所述的成像光谱仪模块包含了光谱仪镜头1、狭缝2、胶合透镜3、第一光楔4、光栅5、第二光楔6以及金属外壳，高光谱镜头1用来获得目标水域的光学信号，成像在狭缝2位置，通过狭缝2的光学信号通过胶合透镜3实现准直，准直光经过第一个光楔4后发生角度偏折，并入射到光栅5，透过光栅5后，再经过第二个光楔6实现角度的反向偏折，并传输到监控系统的相机模块。

所述监控相机模块包含在图2中，包含监控相机镜头7、监控相机8、云台10、监控支架12以及无线射频器件9，监控相机镜头7、监控相机8以及云台10固定在一个金属外壳内，该金属外壳固定在一个支架12上，从成像光谱仪模块出射的信号，经过监控相机镜头7后，聚焦在监控相机8的感光芯片处，并存储在相机的内存卡中，此图像定义为光谱图像，在实际工作过程中，云台10处于旋转扫描状态，同时监控相机8处于视频录制状态，可录制目标水域一系列的光谱图像，存储在相机的内存卡中，无线射频器件9将内存卡中的视频数据传输到中心计算机。

所述的太阳能供电模块包括了太阳能电池和电能传输元件，海岸边一般没有遮挡物，太阳能电池板的朝向要根据当地太阳光照的辐照角度来设置，太阳能电池板负责吸收并存储电能，由电能传输元件将太阳能电池板中的能量传输给监控系统以及数据传输模块。

所述广域的高光谱检测，如图3所示，是在一定空间区域内，布置多个高光谱监控系统，在本实例中，海岸在多个地点布置这样的高光谱监控系统，单个高光谱监控系统通过云台扫描获取该系统周边水域的高光谱数据，各个高光谱监控系统分别将数据发送到中心计算机，中心计算机对所有的高光谱监控系统进行整合并进行图像处理，实现广域高光谱水质检测。

所述光谱图像，是在成像光谱仪后端的感光芯片采集到目标水域的二维图像矩阵数据，定义为Img，该矩阵的维度为M×N，其中M和N是大于0的自然数，并定义横向维度为光谱维度，纵向维度为光强维度，定义Img[1：M,i]为第i行的数据，即成像空间中第i个像素的光谱数据，i为取值范围在1到N的自然数。

所述高光谱检测，在扫描成像后，将会获得k个光谱图像，定义为Img₁, Img₂,…Img_k,其中k是一个大于1的自然数，Img_t的数据结构与光谱图像数据结构相同，t为取值范围在1到k的自然数，将k个光谱图像中的每一个二维图像矩阵数据的第二个维度进行积分，可获得k个一维向量，定义为Lin₁,Lin₂,…Lin_k,将上述k个向量组合为二维矩阵，即高光谱空间图像，定义为IMG0，其维度是k×N，通过对IMG0进行观察，提取感兴趣的像素，定义感兴趣的像素为a1,a2，a1为取值范围在1到k的自然数，a2为取值范围在1到N的自然数，则该像素点对应的光谱为Img_a1[1:M,a2]，通过对该光谱中400nm-500nm波段的反射光谱进行分析，其强度与水中有机物含量呈负相关关系，通过强度可预测水中有机物含量信息。

Claims (7)

1.高光谱广域监控系统,其核心系统特征在于包括三大模块：成像光谱仪模块、监控相机模块、太阳能供电模块，成像光谱仪模块安装在监控相机模块的镜头前方，监控相机中的云台可实现电动旋转扫描，在旋转过程中监控相机记录一系列的光谱图像，在完成旋转扫描后，这一系列的光谱图像组合为高光谱数据，并通过数据传输器件传送到中心计算机中，中心计算机保存高光谱数据并处理相应数据，太阳能供电模块为上述系统提供电能，通过在多点布置高光谱监控系统，实现广域的高光谱检测。

2.根据权利要求1所述的成像光谱仪模块，其特征在于包含了高光谱镜头、狭缝、胶合透镜、光栅、光楔以及金属外壳，高光谱镜头用来获得目标区域的光学信号，成像在狭缝位置，通过狭缝的光学信号通过胶合透镜实现准直，准直光经过第一个光楔后发生角度偏折，并入射到光栅，透过光栅后，再经过第二个光楔实现角度的反向偏折，并传输到监控系统的相机模块。

3.根据权利要求1所述监控相机模块，其特征在于包含监控相机镜头、监控相机、云台、监控支架以及无线射频器件，监控相机镜头、监控相机以及云台固定在一个金属外壳内，该金属外壳固定在一个支架上，从成像光谱仪模块出射的信号，经过监控相机镜头后，聚焦在监控相机的感光芯片处，并存储在相机的内存卡中，此图像定义为光谱图像，在实际工作过程中，云台处于旋转扫描状态，同时监控相机处于视频录制状态，可录制一系列的光谱图像，存储在相机的内存卡中，无线射频器件将内存卡中的视频数据传输到中心计算机。

4.根据权利要求1所述的太阳能供电模块，其特征在于包括了太阳能电池和电能传输元件，太阳能电池板的朝向要根据当地太阳光照的辐照角度来设置，太阳能电池板负责吸收并存储电能，由电能传输元件将太阳能电池板中的能量传输给监控系统以及数据传输模块。

5.根据权利要求1所述广域的高光谱检测，其特征在于这是在一定空间区域内，布置多个高光谱监控系统，单个高光谱监控系统通过云台扫描获取该系统周边的高光谱数据，并分别将数据发送到中心计算机，中心计算机对所有的高光谱监控系统进行整合，实现广域高光谱检测。

6.根据权利要求1所述的光谱图像，是在成像光谱仪后端的感光芯片采集到的二维图像矩阵数据，定义为Img，该矩阵的维度为M×N，其中M和N是大于0的自然数，并定义横向维度为光谱维度，纵向维度为光强维度，定义Img[1：M,i]为第i行的数据，即成像空间中第i个像素的光谱数据，i为取值范围在1到N的自然数。

7.根据权利要求1所述高光谱检测，在扫描成像后，将会获得k个光谱图像，定义为Img1, Img2,…Imgk,其中k是一个大于1的自然数，Imgt的数据结构与光谱图像数据结构相同，t为取值范围在1到k的自然数，将k个光谱图像中的每一个二维图像矩阵数据的第二个维度进行积分，可获得k个一维向量，定义为Lin1, Lin2,…Link,将上述k个向量组合为二维矩阵，即高光谱空间图像，定义为IMG0，其维度是k×N，通过对IMG0进行观察，提取感兴趣的像素，定义感兴趣的像素为a1,a2，a1为取值范围在1到k的自然数，a2为取值范围在1到N的自然数，则该像素点对应的光谱为Imga1[1:M,a2]，通过对该光谱进行分析，可获取物质的化学分子信息。

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