CN112924029A - 一种多光谱相机制造方法及多光谱相机系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多光谱相机制造方法及多光谱相机系统。其中，该方法包括：将多个独立的滤光片基片依次拼接得到滤光片阵列；将所述滤光片阵列固定设置于成像器件前部；当光线经过所述滤光片阵列分光得到的多波段光线分散到所述成像器件的不同位置后，基于所述成像器件获得不同条带区域相应波段的多光谱图像。采用本发明公开的多光谱相机制造方法，通过采用滤光片阵列的成像方式实现多个波段分光，同时采用面阵探测器进行光谱图像获取，能够在保持较小的相机尺寸状况下，获取高质量的多光谱影像，滤光片阵列采用独立结构固定于面阵探测器前，而非直接镀膜于面阵探测器，降低了制造和工艺风险，有效提高了多光谱相机系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及相机光谱成像技术领域，具体涉及一种多光谱相机制造方法及多光谱相机系统。
背景技术
近年来，随着经济社会的快速发展，多光谱相机的应用越来越广泛。多光谱相机能够通过分光技术获得地物的多个谱段所辐射或反射的信息，其分光技术决定了相机的结构和体积以及影像数据处理方法。目前，多光谱相机分光策略主要分为光路分光式分光、滤光片转轮式分光、多镜头式分光三种。其中，光路分光相机是让光通过一个镜头，利用分光器件将全色光分散到多个传感器平面上，在多个平面上获得同一个场景的多光谱图像；部分相机在将光分散到多个平面后通过光栅棱镜将光反射到同一个传感器平面的不同区域分块成像。滤光片轮式多光谱相机成像原理是将传感器采集频率与滤光片轮转频率适当同步，使滤光片每轮转到一个滤光片上都能在传感器上成像。多镜头分光多光谱相机将每个谱段成像由分开的CCD(charge coupled device)或CMOS成像平面阵列和光学装置来完成，这种方案的多光谱相机，实质上是由多个独立相机组装而成，每个相机镜头前配有不同的滤光片，每个镜头获取一个波段的图像，多个镜头对同一目标同时曝光获取多波段图像。光谱带的选择是由各通道物镜前的光学滤光片完成的。然而，上述几种分光策略在无人机遥感载荷应用中存在诸多缺陷。比如光路分光式多光谱相机复杂的光栅棱镜使得相机体积较大且相机系统复杂，波段数的增加会降低图像质量及成本的提高；滤光片轮式多光谱相机中的转轮系统增加了滤光片轮式多光谱相机系统的复杂性，无法使相机达到理想的最小体积和重量，且波段数的增加直接导致整个相机的体积重量增大；而多镜头分光多光谱相机中多个镜头、多个滤光片和多探测器的使用相机达不到理想体积和质量。如果采用短焦距镜头和小探测器实现较小的相机体积和重量，多光谱图像质量会受到影响。上述几种分光方式只能基于小靶面探测器实现较小的相机尺寸。因此，如何基于大幅面探测器实现较小的相机尺寸的同时降低相机结构的复杂度成为本领域研究的重要课题。
发明内容
为此，本发明提供一种多光谱相机制造方法及多光谱相机系统，用以解决现有技术中多光谱相机结构复杂，通常体积和重量较大，无法满足当前无人飞行平台使用需求的缺陷。
本发明提供一种多光谱相机制造方法，包括：
将多个独立的滤光片基片依次拼接得到滤光片阵列；
将所述滤光片阵列固定设置于成像器件前部；
当光线经过所述滤光片阵列分光得到的多波段光线分散到所述成像器件的不同位置后，基于所述成像器件获得不同条带区域相应波段的多光谱图像；其中，所述成像器件为面阵探测器。
进一步的，所述的多光谱相机制造方法，还包括：基于预设的采集存储模块，采集所述成像器件得到的不同条带区域相应波段的多光谱图像，根据不同波段将所述多光谱图像进行分割，得到相应的目标图像，并实现所述目标图像的传输和存储操作。
进一步的，基于预设的同步触发模块对多光谱相机的采集数据、飞行平台的定位数据以及飞行平台的姿态数据进行同步处理；其中，所述飞行平台用于挂载所述多光谱相机。
进一步的，所述的多光谱相机制造方法，还包括：基于预设的电源模块对多光谱相机组件和相应的相机控制组件所需的电压和功率分别进行转换处理，输出相应的目标电压和目标功率；其中，所述相机控制组件包含采集存储模块和同步触发模块，所述多光谱相机组件包含成像器件、滤光片阵列和成像物镜。
进一步的，在构成所述滤光片阵列的滤光片基片表面镀设相应波段的膜，并将所述滤光片阵列固定设置于所述成像器件和成像物镜之间。
相应的，本发明还提供一种多光谱相机系统，包括：滤光片阵列和面阵探测器；所述滤光片阵列固定设置于所述面阵探测器前部，位于所述面阵探测器和成像物镜之间；所述滤光片阵列由多个独立的滤光片基片依次拼接组成；
所述滤光片阵列，用于将经过所述成像物镜的入射光线进行分光后得到的多波段光线分散到所述面阵探测器的不同位置；
所述面阵探测器，用于在不同条带区域得到相应波段的多光谱图像。
进一步的，所述的多光谱相机系统还包括：相机控制组件和电源模块；
所述相机控制组件包含采集存储模块和同步触发模块；
所述采集存储模块用于采集所述成像器件得到的不同条带区域相应波段的多光谱图像，并根据波段的不同将所述多光谱图像进行分割，得到相应的目标图像，实现所述目标图像的传输和存储操作；所述同步触发模块用于对多光谱相机的采集数据、飞行平台的定位数据以及飞行平台的姿态数据进行同步处理；其中，所述飞行平台用于挂载所述多光谱相机；
所述电源模块用于对多光谱相机组件和所述相机控制组件所需的电压和功率分别进行转换处理，输出相应的目标电压和目标功率；其中，所述多光谱相机组件包含所述面阵探测器、所述滤光片阵列以及所述成像物镜。
进一步的，所述滤光片基片包括蓝色滤光片、绿色滤光片、红色滤光片、近红外第一波段滤光片、近红外第二波段滤光片和未加涂层的全色滤光片中的至少一种。
相应的，本发明还提供一种应用于无人机设备的多光谱相机系统，包括：POS模块、多光谱相机组件以及相应的相机控制组件；所述POS模块、所述多光谱相机组件以及所述相机控制组件设置在预设的飞行平台上，所述飞行平台前向运动获得相应条带区域的多光谱图像；其中，所述POS模块包括飞行平台定位模块及飞行平台姿态模块；所述多光谱相机组件包括滤光片阵列和面阵探测器；所述滤光片阵列由多个独立的滤光片基片依次拼接组成，并设置于所述面阵探测器前部。
进一步的，所述多光谱相机组件、所述相机控制组件以及所述POS模块通过所述三轴云台设置在所述飞行平台上。
本发明提供的所述的多光谱相机制造方法，通过采用滤光片阵列的成像方式实现多个波段分光，同时采用面阵探测器进行光谱图像获取，能够在保持较小的相机尺寸状况下，获取高质量的多光谱影像，滤光片阵列采用独立结构固定于面阵探测器前，而非直接镀膜于面阵探测器，降低了制造和工艺风险，有效提高了多光谱相机系统的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的多光谱相机制造方法的流程示意图；
图2为本发明提供的多光谱相机系统的工作原理示意图；
图3为本发明提供的多光谱相机系统的结构示意图；
图4为本发明提供的应用于无人机设备的多光谱相机系统的结构示意图；
图5为本发明提供的多光谱相机制造方法中5个多光谱滤光片透过率的示意图；
图6为本发明提供的多光谱相机制造方法中图像波段排列对应的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面基于本发明所述的多光谱相机制造方法，对其实施例进行详细描述。如图1所示，其均为本发明提供的多光谱相机制造方法的流程示意图，具体实现过程包括以下步骤：
步骤101：将多个独立的滤光片基片依次拼接得到滤光片阵列。
在具体实施过程中，可在构成所述滤光片阵列的滤光片基片表面镀设相应波段的膜。其中，所述滤光片基片包括蓝色滤光片、绿色滤光片、红色滤光片、近红外第一波段滤光片、近红外第二波段滤光片和未加涂层的全色滤光片等中的至少一种，在此不做具体限定。如图2所示，所述蓝色滤光片对应Blue，波段范围430-470nm；所述绿色滤光片对应Green，波段范围520-600nm；所述红色滤光片对应Red，波段范围610-680nm；所述近红外第一波段滤光片对应NIR-1，波段范围730-770nm；所述近红外第二波段滤光片对应NIR-2，波段范围780-890nm；所述未加涂层的全色滤光片对应Pan。
步骤102：将所述滤光片阵列固定设置于成像器件前部。
如图2所示，在具体实施过程中，可将所述滤光片阵列201固定设置于成像器件202前部，具体的，也就是将所述滤光片阵列201固定设置于所述成像器件202和成像物镜203(即近红外镜头)之间。其中，相邻光谱混叠区为203，有效光谱成像区为204。
步骤103：当光线经过所述滤光片阵列分光得到的多波段光线分散到所述成像器件的不同位置后，基于所述成像器件获得不同条带区域相应波段的多光谱图像。其中，所述成像器件为面阵探测器。
为了实现完整的功能，本发明所制造的多光谱相机除了成像物镜203、滤光片阵列201和面阵探测器202等相机组件外，还包括电源模块206、采集存储模块205和同步触发模块204等控制组件，具体如图3所示。其中，所述电源模块206用于实现所有组件所需的电压和功率转换，所述采集存储模块用于实现探测器数据的采集、分割、传输和存储；所述同步触发模块204包括同步脉冲接口2041和相机触发接口2042，具体用于实现多光谱相机的采集数据和其他辅助数据间的同步处理。在具体实施过程中，可基于预设的采集存储模块205，采集所述成像器件得到的不同条带区域相应波段的多光谱图像，根据不同波段将所述多光谱图像进行分割，得到相应的目标图像，并实现所述目标图像的传输和存储操作。基于预设的同步触发模块204对多光谱相机的采集数据、飞行平台的定位数据以及飞行平台的姿态数据进行同步处理；其中，所述飞行平台用于挂载所述多光谱相机。以及基于预设的电源模块206对多光谱相机组件和相应的相机控制组件所需的电压和功率分别进行转换处理，输出相应的目标电压和目标功率；其中，所述相机控制组件包含采集存储模块204和同步触发模块206，所述多光谱相机组件包含成像器件(比如面阵探测器202)、滤光片阵列201和成像物镜203。其中，所述的面阵探测器优选大幅面探测器，采用大幅面探测器进行光谱图像获取，能够在保持较小的相机尺寸状况下，获取高质量的多光谱影像，非常适合无人机搭载应用。
在本发明实施例中，制造阵列多光谱相机的主要组件是滤光片阵列和大幅面探测器，共同实现多光谱波段分光和数据采集。根据滤光片阵列的波段数以及大幅面探测器参数不同，能够制造不同参数指标的多光谱相机。波段数的选择可根据实际应用和要求确定，在此不做具体限定。采用滤光片阵列成像，每个波段在飞行平台的航向上都是分区域的窄条带图像。需要说明的是，波段数过多，会导致每个波段的成像区域过窄，而近似于线阵推扫成像，会加大对姿态稳定性、采集速率的要求，并增加后期几何纠正的难度。因此，本发明其中一个具体实施例中，根据多光谱相机应用需求优先选取了5个广泛应用于农业、林业和环境等领域的多光谱波段，并增加一个全色波段构成6波段滤光片阵列。这5个定制的多光谱滤光片透过率曲线和谱带宽度如图5所示，图6所示为拼接制作好的滤光片阵列。多光谱相机获取的多光谱图像中各波段的位置分布从左到右分别是：蓝色滤光片、绿色滤光片、红色滤光片、近红外第一波段滤光片、近红外第二滤光片和未加涂层的全色滤光片。在具体实施过程中，所述面阵探测器优先选用的是KAI-29050面阵探测器，该面阵探测器的像素数为6576×4384，像素尺寸为5.5um，成像幅面为36×24mm，其中6576对应飞行平台的飞行方向，依次排列6个波段，单个波段图像的长边对应面阵探测器的短边，单个波段图像的短边对应面阵探测器的长边。除去光谱混叠所占像素，每个波段的像素数能够达到约1000像素，而4384对应旁向方向，能够实现较宽的旁向幅宽。采用滤光片阵列和大幅面探测器集成的多光谱相机可获得5个多光谱波段及1个全色波段图像，每波段图像的像素数约为4300×1000。旁向像素达到4K，可实现较宽的旁向幅宽进而提高作业效率，航向像素达到1K，即保持了一定的幅宽，又能满足较好的速高比，从而实现了有效的航向重叠。
需要说明的是，本发明技术方案包括但不限于上述具体实施例列举的实现方式，所涉及到的其他类型实施例，主要体现在波段数和探测器规格的差异上，但均属于本发明的实施范围。如果面阵探测器的像素数为M×N(M>N)，所要实现的波段数为n，则能获取到的每波段图像航向方向像素数为M/n×90％(考虑到光谱混叠的像素数损失)，旁向方向像素数仍为N。
采用本发明所述的多光谱相机制造方法，通过采用滤光片阵列的成像方式实现多个波段分光，同时采用面阵探测器进行光谱图像获取，能够在保持较小的相机尺寸状况下，获取高质量的多光谱影像，滤光片阵列采用独立结构固定于面阵探测器前，而非直接镀膜于面阵探测器，降低了制造和工艺风险，有效提高了多光谱相机系统的稳定性。
与上述提供的一种多光谱相机制造方法相对应，本发明还提供一种多光谱相机系统。由于该系统的实施例相似于上述方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处请参见上述方法实施例部分的说明即可，下面描述的多光谱相机系统的实施例仅是示意性的。请参考图3所示，其为本发明提供的一种多光谱相机系统的结构示意图。
本发明所述的一种多光谱相机系统具体包括如下部分：滤光片阵列和面阵探测器；所述滤光片阵列固定设置于所述面阵探测器前部，位于所述面阵探测器和成像物镜203之间；所述滤光片阵列由多个独立的滤光片基片依次拼接组成；
所述滤光片阵列，用于将经过所述成像物镜203的入射光线进行分光后得到的多波段光线分散到所述面阵探测器的不同位置；
所述面阵探测器，用于在不同条带区域得到相应波段的多光谱图像。
在具体实施过程中，所述的多光谱相机系统还可包括相机控制组件和电源模块。所述相机控制组件包含采集存储模块和同步触发模块。所述采集存储模块用于采集所述成像器件得到的不同条带区域相应波段的多光谱图像，并根据波段的不同将所述多光谱图像进行分割，得到相应的目标图像，实现所述目标图像的传输和存储操作；所述同步触发模块用于对多光谱相机的采集数据、飞行平台的定位数据以及飞行平台的姿态数据进行同步处理；其中，所述飞行平台用于挂载所述多光谱相机。所述电源模块用于对多光谱相机组件和所述相机控制组件所需的电压和功率分别进行转换处理，输出相应的目标电压和目标功率；其中，所述多光谱相机组件包含所述面阵探测器、所述滤光片阵列以及所述成像物镜203。
采用本发明所述的多光谱相机系统，通过采用滤光片阵列的成像方式实现多个波段分光，同时采用面阵探测器进行光谱图像获取，能够在保持较小的相机尺寸状况下，获取高质量的多光谱影像，滤光片阵列采用独立结构固定于面阵探测器前，而非直接镀膜于面阵探测器，降低了制造和工艺风险，相机结构原理简单，无相对运动部件，有效提高了多光谱相机系统的稳定性，非常适合无人机搭载应用。
进一步的，与上述提供的一种多光谱相机系统相对应，本发明还提供一种应用于无人机设备的多光谱相机系统。由于该应用于无人机设备的多光谱相机系统的实施例相似于上述多光谱相机系统实施例，所以描述的比较简单，相关之处请参见上述多光谱相机系统实施例部分的说明即可，下面描述的应用于无人机设备的多光谱相机系统的实施例仅是示意性的。请参考图4所示，其为本发明提供的一种应用于无人机设备的多光谱相机系统的结构示意图。
本发明所述的一种应用于无人机设备的多光谱相机系统，具体包括如下部分：POS模块303、多光谱相机组件301以及相应的相机控制组件302；所述POS模块303、所述多光谱相机组件301以及所述相机控制组件302设置在预设的飞行平台上，所述飞行平台前向运动获得相应条带区域的多光谱图像。每次曝光可获得不同条带区域的不同波段的多光谱图像，从而通过飞行平台的前向运动获得同一条带区域的多光谱图像。其中，所述POS模块303包括飞行平台定位模块及飞行平台姿态模块；所述多光谱相机组件301包括滤光片阵列201和面阵探测器202；所述滤光片阵列201由多个独立的滤光片基片依次拼接组成，并设置于所述面阵探测器前部。
具体的，所述多光谱相机组件301、所述相机控制组件302以及所述POS模块303通过所述三轴云台304设置在所述飞行平台上。其中，该多光谱相机应用于无人机载时，所述三轴云台304优选使用小型三轴云台以实现平稳姿态，以及所述POS模块303优选使用小型POS模块以实现姿态参数获取，构成完整的应用于无人机设备的多光谱相机系统。
采用本发明所述的应用于无人机设备的多光谱相机系统，通过采用滤光片阵列的成像方式实现多个波段分光，同时采用面阵探测器进行光谱图像获取，能够在保持较小的相机尺寸状况下，获取高质量的多光谱影像，滤光片阵列采用独立结构固定于面阵探测器前，而非直接镀膜于面阵探测器，降低了制造和工艺风险，相机结构原理简单，无相对运动部件，有效提高了多光谱相机系统的稳定性。
以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施上述方案内容。通过以上的实施方式的描述内容，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式能够借助无人机等硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以具备特殊功能的硬件的形式体现出来，该硬件产品可以通过处理器等实现实施例的某些部分所述的功能。
最后应说明的是：以上实施例仅用来说明本发明的具体技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员也应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种多光谱相机制造方法，其特征在于，包括：
将多个独立的滤光片基片依次拼接得到滤光片阵列；
将所述滤光片阵列固定设置于成像器件前部；
当光线经过所述滤光片阵列分光得到的多波段光线分散到所述成像器件的不同位置后，基于所述成像器件获得不同条带区域相应波段的多光谱图像；其中，所述成像器件为面阵探测器。
2.根据权利要求1所述的多光谱相机制造方法，其特征在于，还包括：基于预设的采集存储模块，采集所述成像器件得到的不同条带区域相应波段的多光谱图像，根据不同波段将所述多光谱图像进行分割，得到相应的目标图像，并实现所述目标图像的传输和存储操作。
3.根据权利要求1所述的多光谱相机制造方法，其特征在于，包括：基于预设的同步触发模块对多光谱相机的采集数据、飞行平台的定位数据以及飞行平台的姿态数据进行同步处理；其中，所述飞行平台用于挂载所述多光谱相机。
4.根据权利要求1所述的多光谱相机制造方法，其特征在于，还包括：基于预设的电源模块对多光谱相机组件和相应的相机控制组件所需的电压和功率分别进行转换处理，输出相应的目标电压和目标功率；其中，所述相机控制组件包含采集存储模块和同步触发模块，所述多光谱相机组件包含成像器件、滤光片阵列和成像物镜。
5.根据权利要求1所述的多光谱相机制造方法，其特征在于，在构成所述滤光片阵列的滤光片基片表面镀设相应波段的膜，并将所述滤光片阵列固定设置于所述成像器件和成像物镜之间。
6.一种多光谱相机系统，其特征在于，包括：滤光片阵列和面阵探测器；所述滤光片阵列固定设置于所述面阵探测器前部，位于所述面阵探测器和成像物镜之间；所述滤光片阵列由多个独立的滤光片基片依次拼接组成；
所述滤光片阵列，用于将经过所述成像物镜的入射光线进行分光后得到的多波段光线分散到所述面阵探测器的不同位置；
所述面阵探测器，用于在不同条带区域得到相应波段的多光谱图像。
7.根据权利要求6所述的多光谱相机系统，其特征在于，还包括：相机控制组件和电源模块；
所述相机控制组件包含采集存储模块和同步触发模块；
所述采集存储模块用于采集成像器件得到的不同条带区域相应波段的多光谱图像，并根据波段的不同将所述多光谱图像进行分割，得到相应的目标图像，实现所述目标图像的传输和存储操作；所述同步触发模块用于对多光谱相机的采集数据、飞行平台的定位数据以及飞行平台的姿态数据进行同步处理；其中，所述飞行平台用于挂载所述多光谱相机；
所述电源模块用于对多光谱相机组件和所述相机控制组件所需的电压和功率分别进行转换处理，输出相应的目标电压和目标功率；其中，所述多光谱相机组件包含所述面阵探测器、所述滤光片阵列以及所述成像物镜。
8.根据权利要求6所述的多光谱相机系统，其特征在于，所述滤光片基片包括蓝色滤光片、绿色滤光片、红色滤光片、近红外第一波段滤光片、近红外第二波段滤光片和未加涂层的全色滤光片中的至少一种。
9.一种应用于无人机设备的多光谱相机系统，其特征在于，包括：POS模块、多光谱相机组件以及相应的相机控制组件；所述POS模块、所述多光谱相机组件以及所述相机控制组件设置在预设的飞行平台上，所述飞行平台前向运动获得相应条带区域的多光谱图像；
其中，所述POS模块包括飞行平台定位模块及飞行平台姿态模块；所述多光谱相机组件包括滤光片阵列和面阵探测器；所述滤光片阵列由多个独立的滤光片基片依次拼接组成，并设置于所述面阵探测器前部。
10.根据权利要求9所述的应用于无人机设备的多光谱相机系统，其特征在于，所述多光谱相机组件、所述相机控制组件以及所述POS模块通过三轴云台设置在所述飞行平台上。
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2021
- 2021-01-26 CN CN202110102546.8A patent/CN112924029A/zh active Pending
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