CN115355988A - 一种轻小型多光谱望远镜系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻小型多光谱望远镜系统，包括多光谱成像模块、主机、显示模块、输入输出面板，多光谱成像模块和显示模块通过通信电缆与所述主机连接；所述主机与供电电池并列连接；所述输入输出面板通过通信电缆与所述主机连接；多光谱成像模块包括变焦镜头和循环镀膜式图像传感器；主机包括主控模块、图像处理模块、电源管理模块、环境传感器模块、数据管理模块、通信模块；显示模块包括显示屏和驱动板；输入输出面板包括按键面板和接口面板。上述系统能够解决现有技术中轻小型手持多光谱成像仪器谱段数少、实时性和便携性较差、无法进行中远距离成像的问题。

Description

一种轻小型多光谱望远镜系统

技术领域

本发明涉及多光谱成像设备技术领域，尤其涉及一种轻小型多光谱望远镜系统。

背景技术

目前，多光谱成像设备可同时获取物体的二维图像和光谱辐射信息，根据不同类别的光谱曲线以及光谱曲线的特征峰等光谱特征可以对物体种类进行识别，因此广泛用于军用侦察、作物分类与识别、遥感信息模型研究、农业灾害预测等领域。现有的多光谱成像设备主要分为扫描式和手持式两类，扫描式多光谱成像仪利用棱镜、光栅等元件的色散作用获取目标点的高分辨率光谱信息，多用于星上或机载遥感领域，体积庞大，扫描耗时长，无法满足轻小型设备应用场景所需要的小巧轻便、操作简单、实时成像等要求；手持式多光谱成像仪主要采用多镜头配合滤光片分光型方案，其结构复杂、谱段数少，生成图像的空间分辨率和光谱分辨率低，且只能应用于近距离观测，无法满足实际应用场景中对目标进行精确分类识别，且能够进行中远距离观测的需求。

现有的轻小型多光谱成像设备大多基于多镜头配合滤光片分光型方案，其结构主要包括多光谱组件、主机、显示器和电池。该多光谱成像设备的缺点十分明显，即由于具有多个独立的成像单元，多光谱成像设备的结构十分复杂，在轻小型设备的体积限制下只能放置4-6个独立的小型定焦镜头，导致最终获取的多光谱图像谱段数较少，系统重量激增，且无法进行中远距离或可变视场范围的成像。

发明内容

本发明的目的是提供一种轻小型多光谱望远镜系统，该系统能够解决现有技术中轻小型手持多光谱成像仪器谱段数少、实时性和便携性较差、无法进行中远距离成像的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种轻小型多光谱望远镜系统，所述系统包括多光谱成像模块、主机、显示模块、输入输出面板，其中：

所述多光谱成像模块和显示模块通过通信电缆与所述主机连接；所述主机与供电电池并列连接；所述输入输出面板通过通信电缆与所述主机连接；

所述多光谱成像模块包括变焦镜头和循环镀膜式图像传感器；其中，所述变焦镜头用于调整多光谱望远镜系统的视场大小，使系统对近距离物体或远距离物体均能进行成像，并根据目标物体的距离调整焦距使采集到的多光谱图像保持清晰；所述循环镀膜式图像传感器用于接收不同波长范围内的光信号并采集光谱图像数据；

所述主机包括主控模块、图像处理模块、电源管理模块、环境传感器模块、数据管理模块、通信模块；其中，所述主控模块用于对主机中其他模块进行集中管理和任务调度；所述图像处理模块用于对所述多光谱成像模块采集的多光谱图像进行处理；所述电源管理模块用于对所述供电电池的状态参数进行采集，并对供电电池的充放电过程进行智能控制；所述环境传感器模块用于利用各种环境传感器采集姿态、位置、温度环境信息，并对各环境传感器进行供电和驱动控制；所述数据管理模块包括内置存储介质，用于对多光谱图像数据、环境传感器数据、主控日志进行读写、存储和管理；所述通信模块用于接收来自所述输入输出面板的用户按键控制指令，并通过所述输入输出面板进行数据的导入导出；

所述显示模块包括显示屏和驱动板，所述显示屏用于实时显示所述图像处理模块处理后的多光谱图像和系统状态信息；所述驱动板用于所述显示屏的供电和驱动；

所述输入输出面板包括按键面板和接口面板，用于向用户提供操作界面以及数据的导入导出；其中，所述接口面板包括充电电源接口、视频信号输出接口和系统数据接口。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述系统能够解决现有技术中轻小型手持多光谱成像仪器谱段数少、实时性和便携性较差、无法进行中远距离成像的问题，可满足农林生态、军用侦察等多领域的应用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明实施例提供的轻小型多光谱望远镜系统结构示意图；

图2为本发明所举实例多光谱望远镜系统的整体结构示意图；

图3为本发明实施例所述系统的图像处理过程示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

如图1所示为本发明实施例提供的轻小型多光谱望远镜系统结构示意图，所述系统包括多光谱成像模块、主机、显示模块、输入输出面板，其中：

所述多光谱成像模块和显示模块通过通信电缆与所述主机连接；所述主机与供电电池并列连接；所述输入输出面板通过通信电缆与所述主机连接；

所述多光谱成像模块包括变焦镜头和循环镀膜式图像传感器；其中，所述变焦镜头用于调整多光谱望远镜系统的视场大小，使系统对近距离物体或远距离物体均能进行成像，并根据目标物体的距离调整焦距使采集到的多光谱图像保持清晰；所述循环镀膜式图像传感器用于接收不同波长范围内的光信号并采集光谱图像数据；

具体实现中，该循环镀膜式图像传感器被分为多个相同的循环镀膜区，在每个循环镀膜区内，图像传感器的每个像元分别镀有不同中心波长和带宽的滤光膜，因此每个像元接收的光谱范围也各不相同，故所述循环镀膜式图像传感器获取的原始数据为混杂着多个光谱范围的图像。

所述主机包括主控模块、图像处理模块、电源管理模块、环境传感器模块、数据管理模块、通信模块；其中，所述主控模块用于对主机中其他模块进行集中管理和任务调度；所述图像处理模块用于对所述多光谱成像模块采集的多光谱图像进行处理；所述电源管理模块用于对所述供电电池的状态参数(剩余电量、剩余寿命等)进行采集，并对供电电池的充放电过程进行智能控制；所述环境传感器模块用于利用各种环境传感器采集姿态、位置、温度环境信息，并对各环境传感器进行供电和驱动控制；所述数据管理模块包括内置存储介质，用于对多光谱图像数据、环境传感器数据、主控日志进行读写、存储和管理；所述通信模块用于接收来自所述输入输出面板的用户按键控制指令，并通过所述输入输出面板进行数据的导入导出；

所述显示模块包括显示屏和驱动板，所述显示屏用于实时显示所述图像处理模块处理后的多光谱图像和系统状态信息；所述驱动板用于所述显示屏的供电和驱动；

所述输入输出面板包括按键面板和接口面板，用于向用户提供操作界面以及数据的导入导出；其中，所述接口面板包括充电电源接口、视频信号输出接口和系统数据接口。

具体实现中，所述主机中的图像处理模块具体包括图像传感器控制单元、图像生成单元、目标识别单元和镜头控制单元，其中：

所述图像传感器控制单元用于所述循环镀膜式图像传感器的供电和驱动，并调整所述循环镀膜式图像传感器的增益、曝光时间等参数；

所述图像生成单元用于将所述循环镀膜式图像传感器上的循环镀膜区域中不同谱段的采集数据重新组合，分别对每个谱段生成单幅图像，再根据预设值分别选取三个不同谱段作为RGB通道，进而生成伪彩色合成图像；

所述目标识别单元用于对所述图像生成单元生成的伪彩色合成图像进行目标检测和识别，对识别到的目标进行框选，输出识别结果；

所述镜头控制单元用于对所述变焦镜头进行供电和控制，具体是根据用户通过所述输入输出面板输入的变倍指令调整所述变焦镜头的焦距，同时计算所述图像生成单元生成多光谱图像的统计信息，控制所述变焦镜头进行自动对焦。

具体实现中，所述输入输出面板的按键面板包括开关键、拍摄键、镜头控制功能键、系统控制功能键，其中：

所述开关键用于控制多光谱望远镜的电源开关和低功耗待机开关；

所述拍摄键用于控制所述主机对所述多光谱成像模块采集的多光谱图像进行存储；

所述镜头控制功能键用于调整所述变焦镜头的焦距，实现目标视场的拉远或拉近，并提供用户手动对焦功能；

所述系统控制功能键用于调出系统菜单，利用按键更改所述循环镀膜式图像传感器和系统的预设参数值。

另外，在所述多光谱成像模块中：

所述循环镀膜式图像传感器为9谱段、16谱段或25谱段循环镀膜；上述所列举的仅为所述循环镀膜式图像传感器的一种具体形式，具有相同或类似方式循环镀膜的更多谱段数的图像传感器仍然囊括在本发明保护范围内；

所述变焦镜头可通过手动调焦镜头来代替。

另外，所述显示模块可通过一块或多块外置显示屏来代替；或者，通过有线或无线方式连接至便携式显示器、手机、平板电脑具有显示功能的外部终端来代替。

另外，所述输入输出面板中的按键面板可通过一块或多块外置触摸屏来代替；或者，通过有线或无线方式连接至手柄、遥控器、手机、平板电脑具有发送控制指令功能的外部终端来代替。

下面以具体的实例对上述系统的结构和工作过程进行详细描述，如图2所示为本发明所举实例多光谱望远镜系统的整体结构示意图，包括前外壳1、按键板2、USB接口3、ARM核心板4、HDMI接口5、电池6、变焦镜头7、输入输出板8、循环镀膜式图像传感器9、显示模块10、后外壳11、环境传感器模块12，其中：

所述按键板2固定于前外壳1的外表面；所述USB接口3、所述ARM核心板4、所述HDMI接口5、所述电池6、所述变焦镜头7、所述输入输出板8固定于所述前外壳1上；所述循环镀膜式图像传感器9固定于所述变焦镜头7上；所述显示模块10、环境传感器模块12固定于所述后外壳11上。

所述循环镀膜式图像传感器9和所述变焦镜头7组成多光谱成像模块，由所述ARM核心板4的CPU进行驱动和控制；

所述ARM核心板4用于实现主机中的主控、电源管理、图像处理和数据管理功能；这里，该ARM核心板4仅为所述主机的一种具体实施方式，其集成了主控模块、图像处理模块、电源管理模块、数据管理模块的部分或全部功能，上述模块的功能也可通过x86或其他架构的处理器、带有数字信号处理功能或神经网络运算功能的FPGA芯片及其他具有所述主控模块、所述图像处理模块、所述电源管理模块、所述数据管理模块的同等功能的专用芯片之间相互连接来完成；

所述显示模块10包括双目镜头和微型显示屏，用于显示经由所述ARM核心板4的GPU和NPU生成的图像，由人眼通过双目镜头直接观察；

所述电池6为所述ARM核心板4供电；

所述环境传感器模块12由所述ARM核心板4控制，并返回IMU模块的姿态信息、GPS模块的地理定位信息、温度传感器的温度信息；

所述输入输出板8与所述ARM核心板4连接，用于所述ARM核心板4与各外部接口以及按键的连接，其中：

所述按键板2与所述输入输出板8连接，用于用户向所述ARM核心板4发送按键指令；所述USB接口3与所述输入输出板8连接，用于所述ARM核心板4中数据的导入导出；所述HDMI接口5与所述输入输出板8连接，用于提供一路额外的视频输出信号；所述充电接口与所述输入输出板8连接，用于向所述电池6充电。

基于图2多光谱望远镜系统的结构，该系统的图像处理过程示意图如图3所示，具体包括：

所述ARM核心板的GPU对循环镀膜式图像传感器获取的原始数据中每个谱段对应的像素值进行解析和重新组合，针对每个谱段生成对应的单谱段图像；

进一步地，所述ARM核心板的GPU根据系统预设值或用户设定值，选取3个不同谱段的单谱段图像分别作为R、G、B通道，生成伪彩合成图像。

然后ARM核心板的NPU对单谱段图像或伪彩合成图像中的目标进行检测识别，对识别到的目标生成带有置信度的目标框。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

综上所述，本发明实施例所述系统采用变焦镜头和循环镀膜式图像传感器，可以快速获取多光谱图像并实时显示，同时可对图像中的目标物体进行识别和标注，对中远距离下的物体可清晰成像；该系统重量轻、体积小、便携性强、成像速度快、可调节视场远近、获取谱段数多，可实时显示多光谱图像，可对图像中的目标物体进行识别和标注，且无需额外固定装置。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种轻小型多光谱望远镜系统，其特征在于，所述系统包括多光谱成像模块、主机、显示模块、输入输出面板，其中：

所述多光谱成像模块和显示模块通过通信电缆与所述主机连接；所述主机与供电电池并列连接；所述输入输出面板通过通信电缆与所述主机连接；

所述多光谱成像模块包括变焦镜头和循环镀膜式图像传感器；其中，所述变焦镜头用于调整多光谱望远镜系统的视场大小，使系统对近距离物体或远距离物体均能进行成像，并根据目标物体的距离调整焦距使采集到的多光谱图像保持清晰；所述循环镀膜式图像传感器用于接收不同波长范围内的光信号并采集光谱图像数据；

所述主机包括主控模块、图像处理模块、电源管理模块、环境传感器模块、数据管理模块、通信模块；其中，所述主控模块用于对主机中其他模块进行集中管理和任务调度；所述图像处理模块用于对所述多光谱成像模块采集的多光谱图像进行处理；所述电源管理模块用于对所述供电电池的状态参数进行采集，并对供电电池的充放电过程进行智能控制；所述环境传感器模块用于利用各种环境传感器采集姿态、位置、温度环境信息，并对各环境传感器进行供电和驱动控制；所述数据管理模块包括内置存储介质，用于对多光谱图像数据、环境传感器数据、主控日志进行读写、存储和管理；所述通信模块用于接收来自所述输入输出面板的用户按键控制指令，并通过所述输入输出面板进行数据的导入导出；

所述显示模块包括显示屏和驱动板，所述显示屏用于实时显示所述图像处理模块处理后的多光谱图像和系统状态信息；所述驱动板用于所述显示屏的供电和驱动；

所述输入输出面板包括按键面板和接口面板，用于向用户提供操作界面以及数据的导入导出；其中，所述接口面板包括充电电源接口、视频信号输出接口和系统数据接口。

2.根据权利要求1所述轻小型多光谱望远镜系统，其特征在于，所述主机中的图像处理模块具体包括图像传感器控制单元、图像生成单元、目标识别单元和镜头控制单元，其中：

所述图像传感器控制单元用于所述循环镀膜式图像传感器的供电和驱动，并调整所述循环镀膜式图像传感器的增益、曝光时间等参数；

所述图像生成单元用于将所述循环镀膜式图像传感器上的循环镀膜区域中不同谱段的采集数据重新组合，分别对每个谱段生成单幅图像，再根据预设值分别选取三个不同谱段作为RGB通道，进而生成伪彩色合成图像；

所述目标识别单元用于对所述图像生成单元生成的伪彩色合成图像进行目标检测和识别，对识别到的目标进行框选，输出识别结果；

所述镜头控制单元用于对所述变焦镜头进行供电和控制，具体是根据用户通过所述输入输出面板输入的变倍指令调整所述变焦镜头的焦距，同时计算所述图像生成单元生成多光谱图像的统计信息，控制所述变焦镜头进行自动对焦。

3.根据权利要求1所述轻小型多光谱望远镜系统，其特征在于，所述输入输出面板的按键面板包括开关键、拍摄键、镜头控制功能键、系统控制功能键，其中：

所述开关键用于控制多光谱望远镜的电源开关和低功耗待机开关；

所述拍摄键用于控制所述主机对所述多光谱成像模块采集的多光谱图像进行存储；

所述镜头控制功能键用于调整所述变焦镜头的焦距，实现目标视场的拉远或拉近，并提供用户手动对焦功能；

所述系统控制功能键用于调出系统菜单，利用按键更改所述循环镀膜式图像传感器和系统的预设参数值。

4.根据权利要求1所述轻小型多光谱望远镜系统，其特征在于，

所述循环镀膜式图像传感器被分为多个相同的循环镀膜区，在每个循环镀膜区内，图像传感器的每个像元分别镀有不同中心波长和带宽的滤光膜，因此每个像元接收的光谱范围也各不相同，故所述循环镀膜式图像传感器获取的原始数据为混杂着多个光谱范围的图像。

5.根据权利要求1所述轻小型多光谱望远镜系统，其特征在于，所述循环镀膜式图像传感器为9谱段、16谱段或25谱段循环镀膜；

所述变焦镜头可通过手动调焦镜头来代替。

6.根据权利要求1所述轻小型多光谱望远镜系统，其特征在于，

所述显示模块可通过一块或多块外置显示屏来代替；

或者，通过有线或无线方式连接至便携式显示器、手机、平板电脑具有显示功能的外部终端来代替。

7.根据权利要求1所述轻小型多光谱望远镜系统，其特征在于，

所述输入输出面板中的按键面板可通过一块或多块外置触摸屏来代替；

或者，通过有线或无线方式连接至手柄、遥控器、手机、平板电脑具有发送控制指令功能的外部终端来代替。

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