CN112098343A - 基于etl新型自对焦一体化高光谱成像探测系统 - Google Patents
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Abstract
基于ETL新型自对焦一体化高光谱成像探测系统，涉及高光谱成像技术领域，解决现有高光谱成像仪在遥感探测过程中，由于环境因素的动态变化、载荷平台自身稳定性导致的离焦现象，高光谱成像仪自身对焦过程繁琐、对焦准确性低，实时性差等技术上的缺陷，望远物镜收集的地物辐射信息经ETL和分束棱镜分为高光谱成像光路和自动对焦光路，自动对焦光路经分束棱镜反射后成像在面阵探测器，高光谱成像光路经分束棱镜透射后成像到入射狭缝上；光谱分光系统将经入射狭缝所成的像分波长成像在光谱仪探测器上。本发明简化了物镜的对焦过程，具有结构紧凑、反应快速、耗能少、实用性高等优势，适用于无人机、水下机器人等快速移动平台搭载的高光谱成像探测系统。
Description
技术领域
本发明涉及高光谱成像技术领域，具体涉及一种基于电子可调式镜头(ETL，Electronically tunable lens)新型自对焦一体化高光谱成像探测系统。
背景技术
高光谱成像技术是一类将成像技术和光谱技术完美结合的新型多维信息获取技术，同时具备光谱分辨能力和图像分辨能力，能探测获得被测目标的二维空间信息和一维光谱信息构成的数据立方体，通过对被测物体进行定性、定量、定位分析，利用物体表面成分的光谱图像差异，可以实现对目标的精确识别和定位，在军事、农业、医学、遥感探测、资源勘探、地质调查等领域具有广泛的应用。
目前技术成熟度最高、光谱质量最好、成像效率最高的是色散分光型成像光谱系统，多搭载无人机或水下无人平台进行遥感探测作业，工作方式采用“推扫式”，每次获取一行地元的光谱信息，依靠搭载平台的自身向前的运动，沿轨方向扫描，采用面阵探测器，最终可得到目标的三维光谱数据立方体。高光谱成像系统的成像质量是多数人研究光学系统时最为关心的重要问题之一，当图像探测器偏离光学系统焦平面即系统产生离焦时，就会造成成像质量下降，图像模糊，不能反映出所观察物体的全部细节，影响最终的探测效果。环境因素的动态变化是导致离焦现象最主要的原因之一。无论是机载作业还是水下探测都无法避免，调焦控制系统方面需要对电机进行精确的位置控制。而系统在相对运动过程中会遇到各种干扰因素，如加速度变化、抖动、摩擦系数改变等，这些都会影响电机的工作。因此传统自动对焦方式的调焦精度和稳定性都不能满足实际的使用需求；另一方面由镜头工作时飞机在高速飞行，景物变化快，要求其自动调焦系统有良好的实时性，能够快速准确的完成调焦工作。
像质的清晰与否直接关系到最终的探测效果。为了判断物镜对焦是否准确，高光谱成像系统需在推扫成像后，对图像进行处理，通过图像拼接还原出二维空间像后，再根据空间像的清晰程度判断物镜是否离焦，通过数字图像处理或检测电路感知出系统没有工作在最佳焦距状态，就会运算得出有关的参数，反馈给驱动动力机构带动镜头对焦距做适当的调整，实现焦平面的平移。调整后再次推扫采集高光谱数据。因此，现有高光谱成像系统物镜的对焦过程非常繁琐，对焦准确性低，外场采集作业过程需耗费大量时间进行对焦调整工作，信息获取的实时性差。
现有高光谱成像系统自动对焦方式普遍通过动力机构驱动电机变焦，带动镜头进行调整的方式，普遍存在精度有限，分辨率低等问题。且系统结构复杂，变焦组件占用较大的空间，不符合设备小型化轻量化发展方向；
发明内容
本发明为解决对现有高光谱成像仪在遥感探测过程中，由于环境因素的动态变化、载荷平台自身稳定性导致的离焦现象，高光谱成像仪自身对焦过程繁琐、对焦准确性低，实时性差等技术上的缺陷，通过动力机构驱动电机变焦，带动镜头调整方式其精度有限，分辨率低等问题，以及传统变焦组件的结构复杂，占用较大的空间等问题，提供一种基于ETL新型一体化自动对焦高光谱成像系统。
基于ETL新型一体化自动对焦高光谱成像系统，包括自动对焦模块、入射狭缝、光谱分光系统和光谱仪探测器；所述自动对焦模块包括望远物镜、ETL、分束棱镜、面阵探测器、数据处理驱动模块和数据记录传输模块；
所述望远物镜收集的地物辐射信息经ETL和分束棱镜分为高光谱成像光路和自动对焦光路，自动对焦光路经分束棱镜反射后成像在面阵探测器，高光谱成像光路经分束棱镜透射后成像到入射狭缝上；所述光谱分光系统将经入射狭缝所成的像分波长成像在光谱仪探测器上，
所述数据处理驱动模块通过网线控制ETL变焦，实现望远物镜焦距校正；通过平台推扫，采集地物目标的高光谱图像；
所述面阵探测器、光谱仪探测器分别与数据处理驱动模块连接，所述数据处理驱动模块实现高光谱成像光路和面阵探测器之间同步成像、时序驱动、通讯及指令解析；所述数据处理驱动模块通过数据记录传输模块实现数据存储与传输。
本发明的有益效果：
一、本发明采用共光路一体化设计，系统在传统成像光谱仪的基础上，通过紧凑型同光路一体化设计实现高光谱图像和高频面阵图像的同光路、同步获取，解决了高光谱成像系统外场作业过程中繁琐的对焦过程以及对焦的不准确性的问题，简化了高光谱成像系统物镜的对焦过程，具有结构紧凑、反应快速、耗能少、实用性高等优势，是一种可适用于无人机、水下机器人等快速移动平台搭载的新型高光谱成像探测系统。
二、基于ETL自动对焦设计使光学系统更加快速、集成度更高，没有复杂的机械机构，无需驱动动力机构带动镜头进行移动，直接电动调整聚焦；不用任何外加辅助条件，最大限度上降低了价格，并且保证了稳定性。
三、可以充分利用系统本身中已经集成的CMOS(或CCD)和DSP等硬件，在不增加其他硬件成本的情况下，实现准确而快速对焦，也可实现变焦光学系统的实时跟踪对焦。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于ETL新型自对焦一体化高光谱成像探测系统的结构示意图。
图中，1、望远物镜，2、ETL，3、分束棱镜，4、面阵探测器，5、狭缝，6、光谱分光系统，7、光谱仪探测器，8、控制驱动模块，9、数据记录传输模块。
具体实施方式
结合图1说明本实施方式，一种基于ETL新型自对焦一体化高光谱成像探测系统，其中，高光谱成像系统包括望远物镜1、ETL2、分束棱镜3、入射狭缝5、光谱分光系统6和光谱仪探测器7，分束棱镜3放置在ETL2与狭缝5之间的光路，其一侧设有面阵探测器4；望远物镜1、ETL2、分束棱镜3、面阵探测器4、数据驱动模块8和数据记录传输模块9组成自动对焦模块；
所述分束棱镜3将望远物镜1收集的地物辐射信息分光路成像在面阵探测器4的焦平面和高光谱成像系统的入射狭缝上5；光谱分光系统6将入射狭缝5上望远物镜1所成的像分波长成像在光谱仪探测器7上，通过平台推扫，采集地物目标的高光谱图像。
本实施方式中，所述ETL2焦距可调，基于液体变焦技术，通过电流直接改变聚焦镜形状(曲率)，无需改变空间位置从而实现自动调焦。ETL2可调工作距离范围从3000mm到50mm，具有毫秒级的聚焦响应时间。相比于传统的机械变焦镜头，具有体积小、响应快、成本低和集成度高等优势。还具有耗电量低、抗震和适应不同温度的功能。
本实施方式中，所述的分束棱镜3将地物目标的辐射光分为两路，包括高光谱成像光路和自动对焦光路，共用一个望远物镜1，为像方远心结构；望远物镜1采用非球面透镜，为透射式系统，非球面透镜的数量为N，5≤N≤10。分束棱镜3到面阵探测器4和狭缝5等光程，分束棱镜3可以避免位置误差。共光路一体化设计减小了系统体积和重量，增加了系统的结构刚度，提高了光谱分光系统6和面阵探测器4的光轴稳定性。所述面阵探测器4直接采集地物目标的全色图像，面阵探测器4分别与数据处理驱动模块8以及数据记录传输模块9连接，所述数据处理驱动模块8通过网线控制ETL2变焦，实现望远物镜1焦距校正。
所述面阵探测器4、光谱仪探测器7分别连接至数据处理驱动模块8，所述数据处理驱动模块8实现高光谱成像系统和面阵探测器4之间同步成像、时序驱动探测器、通讯及指令解析；数据处理驱动模块8连接至数据记录与传输模块9，所述数据记录与传输模块9实现数据存储与传输。
本实施方式中，自动对焦光路的自动对焦工作过程：望远物镜1收集的地物目标辐射光经分束棱镜3分束后，进入自动对焦模块，并由面阵探测器4接收。面阵探测器4将接收到的图像数据通过数据记录传输模块9传输至上位机或地面站供使用者观测，同时将图像数据传输至数据处理驱动模块8，对图像清晰度进行判别，检测焦距是否在最佳位置，一旦不在，运算出需要调整的各参数的值，反馈给ETL2对焦距做适当的调整。此时光谱仪探测器7停止工作。数据处理驱动模块8通过电流直接对ETL2聚焦镜的形状做出改变，完成自动对焦，时刻保持像面在理想焦平面位置。无需复杂的机械变焦结构，无需移动任何透镜。高光谱成像系统对焦完成后，光谱仪探测器7开始正常工作。
本实施方式中通过紧凑型同光路一体化系统设计实现高光谱探测系统的自动对焦，基于ETL的设计使系统更加快速、更加紧凑，没有复杂的机械机构，直接电动调整聚焦。不用外加辅助条件，无需驱动动力机构带动镜头进行移动，在最大限度上降低了价格，且保证了稳定性。充分利用系统本身中已经集成的CMOS(或CCD)和DSP等硬件，在不增加其他硬件成本的情况下，实现准确而快速对焦，也可实现变焦光学系统的实时跟踪对焦。具有低成本、高精度、实用性强、集成度高以及响应速度快等优点。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.基于ETL新型一体化自动对焦高光谱成像系统，包括自动对焦模块、入射狭缝(5)、光谱分光系统(6)和光谱仪探测器(7)；其特征是：
所述自动对焦模块包括望远物镜(1)、ETL(2)、分束棱镜(3)、面阵探测器(4)、数据处理驱动模块(8)和数据记录传输模块(9)；
所述望远物镜(1)收集的地物辐射信息经ETL(2)和分束棱镜(3)分为高光谱成像光路和自动对焦光路，自动对焦光路经分束棱镜(3)反射后成像在面阵探测器(4)，高光谱成像光路经分束棱镜(3)透射后成像到入射狭缝(5)上；所述光谱分光系统(6)将经入射狭缝(5)所成的像分波长成像在光谱仪探测器(7)上；
所述数据处理驱动模块(8)通过网线控制ETL(2)变焦，实现望远物镜(1)焦距校正；通过平台推扫，采集地物目标的高光谱图像；
所述面阵探测器(4)、光谱仪探测器(7)分别与数据处理驱动模块(8)连接，所述数据处理驱动模块(8)实现高光谱成像光路和面阵探测器(4)之间同步成像、时序驱动、通讯及指令解析；所述数据处理驱动模块(8)通过数据记录传输模块实现数据存储与传输。
2.根据权利要求1所述的基于ETL新型一体化自动对焦高光谱成像系统，其特征在于：
所述自动对焦光路的自动对焦工作过程为：所述望远物镜(1)收集的地物目标辐射光经分束棱镜(3)分束后，进入自动对焦模块，并由面阵探测器(4)接收；所述面阵探测器(4)将接收到的图像数据通过数据记录传输模块(9)传输至上位机或地面站供使用者观测，同时将图像数据传输至数据处理驱动模块(8)，对图像清晰度进行判别，检测焦距是否在最佳位置，若不在，则运算出需要调整的各参数的值，并反馈至ETL(2)对焦距做相应的调整；此时光谱仪探测器(7)停止工作；
所述数据处理驱动模块(8)通过电流直接对ETL(2)聚焦镜的形状做出改变，完成自动对焦，时刻保持像面在理想焦平面位置；自动对焦光路对焦完成后，光谱仪探测器(7)开始正常工作。
3.根据权利要求1所述的基于ETL新型一体化自动对焦高光谱成像系统，其特征在于：所述ETL(2)的可调工作距离范围从3000mm到50mm。
4.根据权利要求1所述的基于ETL新型一体化自动对焦高光谱成像系统，其特征在于：
所述高光谱成像光路和自动对焦光路共用望远物镜(1)，所述望远物镜(1)为像方远心结构。
5.根据权利要求1所述的基于ETL新型一体化自动对焦高光谱成像系统，其特征在于：所述望远物镜(1)采用非球面透镜，为透射式系统；所述非球面透镜的数量为N，N的范围为：5≤N≤10。
6.根据权利要求1所述的基于ETL新型一体化自动对焦高光谱成像系统，其特征在于：所述分束棱镜(3)到面阵探测器(4)和入射狭缝(5)为等光程。
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