CN117330516A - 一种反射率光谱检测设备 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供的一种反射率光谱检测设备，涉及光谱检测技术领域，通过偏振结构接收环境光照射到目标物体表面反射的反射光，并消除反射光中垂直于偏振方向的镜面反射光，得到平行于偏振方向的反射光；光谱传感器接收平行于偏振方向的反射光，并识别平行于偏振方向的反射光中多个预设波段的光谱强度；上光谱仪采集多角度的漫散射光，并识别多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度；处理器根据平行于偏振方向的反射光中多个预设波段的光谱强度和多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度，计算目标物体的成分信息。通过本申请的反射率光谱检测设备，可以避免镜面反射光的影响，从而提高反射率光谱的测量的准确率。

Description

一种反射率光谱检测设备
技术领域
本发明涉及光谱检测技术领域，特别是涉及一种反射率光谱检测设备。
背景技术
目前，高光谱技术在物质分析领域发挥着越来越重要的作用，通过对物质的高光谱反射率的分析，可以获取物质的表面结构、组分、含量乃至温度等多种信息。
然而，对于表面较为光滑的水体，获取的反射光谱往往会包含着大量环境光的镜面反射光，这些镜面反射光不包含任何目标地物相关的信息，并且会导致实时监测中获取的反射率稳定性较差，难以进行后续的结构、组分分析。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种反射率光谱检测设备，以提高反射率光谱的测量的准确率。具体技术方案如下：
本申请实施例的第一方面，首先提供了一种反射率光谱检测设备，包括：处理器、镜头、偏振结构、光谱传感器、匀光光路、上光谱仪；
所述镜头设置于所述偏振结构和所述光谱传感器之间，所述上光谱仪设置于所述匀光光路后端，所述处理器分别与所述光谱传感器和所述上光谱仪相连；
所述偏振结构，用于接收环境光照射到目标物体表面反射的反射光，并消除所述反射光中垂直于偏振方向的镜面反射光，得到平行于偏振方向的反射光；
所述镜头，用于将所述平行于偏振方向的反射光传递至所述光谱传感器；
所述光谱传感器，用于接收所述平行于偏振方向的反射光，并识别所述平行于偏振方向的反射光中多个预设波段的光谱强度；
所述匀光光路，用于接收多个入射角度的环境光，并使接收的环境光漫射，得到多角度的漫散射光；
所述上光谱仪，用于采集所述多角度的漫散射光，并识别所述多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度；
所述处理器，用于根据所述平行于偏振方向的反射光中多个预设波段的光谱强度和所述多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度，计算所述目标物体的成分信息。
可选的，所述处理器，具体用于计算所述平行于偏振方向的反射光中多个预设波段的光谱强度，与参考光谱的比值，得到所述目标物体反射率，其中，所述参考光谱与所述多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度正相关；根据所述目标物体的反射率，计算所述目标物体的成分信息。
可选的，所述处理器，还用于向所述光谱传感器和所述上光谱仪发送采样指令，以使所述光谱传感器和所述上光谱仪根据所述采样指令进行光谱强度的采集；接收并存储所述平行于偏振方向的反射光中多个预设波段的光谱强度和所述多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度。
可选的，所述设备还包括反射镜；
所述反射镜，用于接收环境光照射到目标物体表面反射的反射光，并将环境光照射到目标物体表面反射的反射光反射至所述偏振结构。
可选的，所述设备还包括第一传导光纤；
所述第一传导光纤，用于接收所述平行于偏振方向的反射光，并将所述平行于偏振方向的反射光传导至所述光谱传感器。
可选的，所述匀光光路为第二传导光纤；
所述第二传导光纤，用于接收所述匀光光路生成的多角度的漫散射光，并将所述多角度的漫散射光传导至所述上光谱仪。
可选的，所述光谱传感器为成像光谱仪；
所述成像光谱仪，用于识别所述平行于偏振方向的反射光中对应预设待检测区域的多个预设波段的光谱强度。
可选的，所述目标物体的成分信息包括多个预设组分的含量信息；
所述处理器，还用于根据所述多个预设组分的含量信息和预设模板，生成所述目标物体成分报告。
可选的，所述目标物体的成分信息包括目标污染物的含量信息；
所述处理器，还用于当所述目标污染物的含量大于预设阈值时，则判定所述目标物体已被污染，生成并发送污染预警信息。
本申请实施例的第二方面，提供了一种移动检测设备，包括，可移动平台和上述任一所述的反射率光谱检测设备。
本发明实施例有益效果：
本发明实施例提供的一种反射率光谱检测设备，包括：处理器、镜头、偏振结构、光谱传感器、匀光光路、上光谱仪；所述镜头设置于所述偏振结构和所述光谱传感器之间，所述上光谱仪设置于所述匀光光路后端，所述处理器分别与所述光谱传感器和所述上光谱仪相连；所述偏振结构，用于接收环境光照射到目标物体表面反射的反射光，并消除所述反射光中垂直于偏振方向的镜面反射光，得到平行于偏振方向的反射光；所述镜头，用于将所述平行于偏振方向的反射光传递至所述光谱传感器；所述光谱传感器，用于接收所述平行于偏振方向的反射光，并识别所述平行于偏振方向的反射光中多个预设波段的光谱强度；所述匀光光路，用于接收多个入射角度的环境光，并使接收的环境光漫射，得到多角度的漫散射光；所述上光谱仪，用于采集所述多角度的漫散射光，并识别所述多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度；所述处理器，用于根据所述平行于偏振方向的反射光中多个预设波段的光谱强度和所述多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度，计算所述目标物体的成分信息。通过本申请的反射率光谱检测设备，不但可以通过所述光谱传感器接收所述平行于偏振方向的反射光，并识别所述平行于偏振方向的反射光中多个预设波段的光谱强度，通过所述上光谱仪采集所述多角度的漫散射光，并识别所述多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度，而且还可以通过偏振结构接收环境光照射到目标物体表面反射的反射光，并消除所述反射光中垂直于偏振方向的镜面反射光，从而在处理器根据所述平行于偏振方向的反射光中多个预设波段的光谱强度和所述多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度，计算所述目标物体的成分信息时，可以避免镜面反射光的影响，从而提高反射率光谱的测量的准确率。
当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例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，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
图1为本申请实施例提供的反射率光谱检测设备的第一种结构示意图；
图2为本申请实施例提供的反射率光谱检测设备的第二种结构示意图；
图3为本申请实施例提供的反射率光谱检测设备的第三种结构示意图；
图4为本申请实施例提供的反射率光谱检测设备的第四种结构示意图；
图5为本申请实施例提供的获取环境光映射关系模型的一种流程示意图；
图6为本申请实施例提供的物质参数反演的一种流程示意图；
图7为本申请实施例提供的反射率光谱检测设备的第五种结构示意图；
图8为本申请实施例提供的反射率光谱检测设备的第六种结构示意图；
图9为本申请实施例提供的反射率光谱检测设备的第七种结构示意图；
图10为本申请实施例提供的移动检测设备的安装环境示意图；
图11为本申请实施例提供的移动检测设备的一种结构示意图。
具体实施方式
下面将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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员基于本申请所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
首先，对本申请实施例中可能使用到的专业术语进行解释：
高光谱：指高光谱分辨率，高光谱技术是用很窄而连续的光谱通道对目标获取光强度信息的技术，具有波段多的特点，光谱通道数能够达到数百个以上，而且各光谱通道间往往是连续的。
反射率光谱：反射率光谱即地物对不同波长的电磁波产生的选择性反射，具有地物的特征，计算公式为地物反射的目标光谱除以地物接收到的参考光谱(标准白板100％反射的光谱)。
环境光映射关系标定：对获取的环境光光谱与标准漫反射白板得到的反射光谱之间进行映射关系标定，后续测试中只需要测得目标对应的环境光光谱信息，就能利用该映射关系得到相应的参考光谱。
原位：指在原来的、正常的、自然的部位或位置，该技术不会改变检测目标的位置，不会破坏检测目标。
镜面反射光：一束平行光经介质面反射后依然为平行光，此时的反射称为镜面反射光。
布儒斯特角：又称偏振角，是自然光经电介质界面反射后，反射光为线偏振光所应满足的条件，沿着布儒斯特角入射的镜面反射光一定是偏振方向平行于介质面的线偏振光。
本申请实施例的第一方面，提供了一种反射率光谱检测设备，参见图1，包括：处理器101、镜头102、偏振结构103、光谱传感器104、匀光光路105、上光谱仪106；
镜头设置于偏振结构和光谱传感器之间，上光谱仪设置于匀光光路后端，处理器分别与光谱传感器和上光谱仪相连；
偏振结构103，用于接收环境光照射到目标物体表面反射的反射光，并消除反射光中垂直于偏振方向的镜面反射光，得到平行于偏振方向的反射光；
镜头102，用于将平行于偏振方向的反射光传递至光谱传感器；
光谱传感器104，用于接收平行于偏振方向的反射光，并识别平行于偏振方向的反射光中多个预设波段的光谱强度；
匀光光路105，用于接收多个入射角度的环境光，并使接收的环境光漫射，得到多角度的漫散射光；
上光谱仪106，用于采集多角度的漫散射光，并识别多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度；
处理器101，用于根据平行于偏振方向的反射光中多个预设波段的光谱强度和多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度，计算目标物体的成分信息。
具体的，本申请实施例中的镜头能够对目标区域的反射光进行收集或成像，可以直接连接光谱传感器，也可以通过光纤中继的方式进行连接，在实际使用过程中，该镜头可以是成像镜头或准直透镜等。其中，偏振结构能够对镜头收集的光的偏振方向进行选择透过，只让平行于偏振方向的光分量透过，而将垂直于偏振方向的光分量消除。根据菲涅尔定理，以布儒斯特角方向入射的镜面反射光为偏振方向平行于介质面的线偏振光，因此采用垂直于该方向的偏振结构就能完全消除物体表面的镜面反射光，获取纯净的反射光谱。在实际使用过程中，该偏振结构可以为偏振片、偏振膜或棱镜结构等。上述光谱传感器能够获取经镜头成像或采集的目标区域反射光在不同波段下的光谱强度，可以是多通道传感器、高光谱传感器、单点式光纤光谱仪或成像式光谱仪等。例如，参见图2，匀光光路201收集到的光被上光谱仪202接收，获得环境光光谱，目标地物反射的光信号先经过镜头204前方安装的偏振结构205以消除掉表面的镜面反射光，剩余的光信号被镜头204接收后被下光谱仪203所采集，得到目标光谱。工业控制板206对上光谱仪202与下光谱仪203的数据采集进行曝光控制以及数据存储。数据采集完成后，数据分析设备207首先对数据进行预处理。预处理完成后，利用事先标定得到的环境光映射关系，进行目标反射率光谱的计算，最后根据输入的模型进行物质参数的反演并实时显示。
本申请实施例中的偏振结构可以消除目标物体表面的镜面反射光，从而获取目标物体表面纯净的反射率光谱。本申请实施例中的目标物体可以是指表面光滑的物体，例如表面光滑的矿石、水体等。
具体的，匀光光路可以接收多个入射角度的环境光，环境光可以为太阳光、天空光、灯光等多种辐射方式的光线，作为反射率计算中的参考光谱。匀光光路需要在不同时间、不同环境下实时获取环境光，然后通过上光谱仪进行多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度的测量，上述处理器可以对上光谱仪测量得到的多个预设波段的光谱强度的存储，并根据存储的光谱强度计算目标物体的成分信息。具体的，匀光光路收集不同入射角度的光线并使其透射后呈现多角度漫散射，然后被光谱传感器采集，其目的是使环境光获取模块能够有效采集较大方位角与天顶角下的环境光光谱。上光谱仪用于采集匀化后的漫散射光，并检测其在不同波段下的光谱强度，在实际使用过程中上光谱仪可以是多通道的光电二极管、光谱传感器，也可以是高光谱传感器或单点式光纤光谱仪。
可选的，目标物体的成分信息包括多个预设组分的含量信息；处理器，还用于根据多个预设组分的含量信息和预设模板，生成目标物体成分报告。例如，预设模板可以包括指定的多种组分，根据多个预设组分的含量信息和预设模板，生成目标物体成分报告，可以将多个预设组分的含量信息填充到预设模板中的指定位置，得到成分报告。在实际使用过程中，本申请实施例中的预设模板可以包括需生成的报告中所需要包括的组分，以及每种组分的顺序等。
可选的，本申请实施例中的目标物体可以是指水体，目标物体的成分信息包括目标污染物的含量信息；处理器，还用于当目标污染物的含量大于预设阈值时，则判定目标物体已被污染，生成并发送污染预警信息。本申请实施例中的反射率光谱检测设备可以应用于污染水体的检测，例如将本申请实施例的的设备安装于工厂的排污口、污水池等附近，通过本申请实施例的设备可以进行排污口、污水池等的水质的监测，再例如，可以将本申请实施例的反射率光谱检测设备安装在需要进行水质监测的湖边或河边，如饮用水源地附近，当检测到被监测的水体已被污染时，生成预警信息，可以便于及时进行处理。
可见，通过本申请的反射率光谱检测设备，不但可以通过光谱传感器接收平行于偏振方向的反射光，并识别平行于偏振方向的反射光中多个预设波段的光谱强度，通过上光谱仪采集多角度的漫散射光，并识别多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度，而且还可以通过偏振结构接收环境光照射到目标物体表面反射的反射光，并消除反射光中垂直于偏振方向的镜面反射光，从而在处理器根据平行于偏振方向的反射光中多个预设波段的光谱强度和多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度，计算目标物体的成分信息时，可以避免镜面反射光的影响，从而提高反射率光谱的测量的准确率。
可选的，处理器101，具体用于计算平行于偏振方向的反射光中多个预设波段的光谱强度，与参考光谱的比值，得到目标物体反射率，其中，参考光谱与多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度正相关；根据目标物体的反射率，计算目标物体的成分信息。
可选的，处理器101计算平行于偏振方向的反射光中多个预设波段的光谱强度，与参考光谱的比值，得到目标物体反射率之前，还可以对平行于偏振方向的反射光中多个预设波段的光谱强度和多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度进行预处理、环境光映射关系标定、反射率计算、物质参数反演分析以及数据显示等过程。具体的，可以通过预处理对输入数据进行去噪、滤波等处理；环境光映射关系标定可以对平行于偏振方向的反射光中多个预设波段的光谱强度和多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度的差异进行标定；反射率计算可以利用预先标定的环境光映射关系来计算目标物体的反射率光谱；物质参数反演可以利用输入的物质参数反演模型，根据计算出的目标地物的反射率光谱进行一些特定参数的反演计算，由此来实时获取目标的结构、组分等信息。在实际使用过程中，本申请实施例的设备还可以包括显示单元，通过该单元可以将计算出的反射率光谱以及反演得到的参数等进行实时显示。例如，参见图3，硬件模块部分，通过环境光获取模块，获取环境光光谱，目标光谱获取模块用于获取目标物体的反射光谱，然后通过数据采集模块对环境光获取模块和目标光谱获取模块获取的光谱进行预处理和数据的缓存，最后在软件模块部分，通过数据分析模块进行目标光谱反射率的计算，从而根据计算得到的反射率进行成分的分析。
具体的，处理器计算平行于偏振方向的反射光中多个预设波段的光谱强度，与参考光谱的比值，得到目标物体反射率，可以通过预设公式：
计算目标物体的反射率，其中，Io为平行于偏振方向的光分量中多个预设波段的光谱强度，Ir为多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度，r为环境光映射系数，参考光谱IRef＝r*Ir。
在实际标定过程中，上述预设公式也可以包括如下形式：
其中，可以使用光谱传感器和上光谱仪在两个互相垂直的偏振角度下测量白板的反射光谱，以平行于介质面的偏振方向为0°，将偏振片的偏振方向设为0°，光谱传感器和上光谱仪同步采集原始光谱分别为Iw0与Ir0；然后将偏振片的偏振方向设为90°，得到光谱传感器和上光谱仪同步采集原始光谱分别为Iw90与Ir90。在实际使用过程中，可以通过环境光映射关系的标定，得到的环境光光谱与标准漫反射白板得到的反射光谱之间的映射关系，然后通过该映射关系就可以直接计算得到环境光光谱，从而根据环境光光谱计算目标物体的反射率。
可选的，处理器101，还用于向光谱传感器和上光谱仪发送采样指令，以使光谱传感器和上光谱仪根据采样指令进行光谱强度的采集；接收并存储平行于偏振方向的反射光中多个预设波段的光谱强度和多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度。
具体的，处理器101，可以包括数据采集和数据存储两部分：数据采集过程中，处理器可以通过采样指令向光谱传感器和上光谱仪发送采集帧率、曝光时间、采集时间以及采集光谱数据平均次数等参数，以使光谱传感器和上光谱仪根据接收到的参数进行光谱强度的获取。数据存储时，处理器可以将光谱传感器和上光谱仪采集到的数据进行存储，具体的，可以通过存储卡或云存储等多种方式实现。
具体的，参见图4，图中的401为匀光光路，用于收集不同入射角度的光线并使其透射后呈现多角度漫散射，能够有效获取较大方位角与天顶角下的环境光光谱，然后利用光谱传感器来采集。图中402为上光谱仪，用于采集匀化后的漫散射环境光，并检测其在不同波段下的光谱强度；403为下光谱仪，能够获取经镜头成像或采集的目标区域反射光在不同波段下的光谱强度，在实际使用过程中，402和403，可以采用多光谱或高光谱传感器，也可以采用单点式的光纤光谱仪。图中404为镜头，能够对目标区域的反射光进行收集或成像，与下光谱仪403直连。图中405为偏振结构，包含一个线偏振片与一个旋转安装座，用于改变偏振片的偏振方向，以达到完全消除物体表面镜面反射光的目的。图中406为工业控制板，对上光谱仪402与下光谱仪403的数据采集进行控制以及将采集的数据进行存储。图中407为数据分析设备，用于目标反射率的计算、物质参数反演分析以及数据显示等过程。匀光光路401与上光谱仪402相对贴合垂直向上安装，正对天顶方向。下光谱仪403、镜头404和偏振结构405组合在一起，以目标表面布儒斯特角附近的倾角(一般情况下偏差不超过10°)斜向下安装，采集下方目标区域光谱。在检测过程中，匀光光路和目标地物都会受到环境光的照射，两者的被照射的辐射度基本一致。匀光光路收集到的光被上光谱仪402接收，获得环境光光谱。目标地物反射的光信号先经过镜头404前方安装的偏振结构405以消除掉表面的镜面反射光，剩余的光信号被镜头404接收后被下光谱仪403所采集，得到目标光谱。工业控制板406对上光谱仪402与下光谱仪403的数据采集进行曝光控制以及数据存储。数据采集完成后，数据分析设备407首先对数据进行预处理。预处理完成后，利用事先标定得到的环境光映射关系，进行目标反射率光谱的计算，最后根据输入的模型进行物质参数的反演并实时显示。
具体的，在实际使用过程中，计算目标的反射率光谱的过程可以包括：
1.环境光映射关系标定流程
为了计算目标地物的光谱反射率，不仅需要获取目标的反射光谱，还需要获得入射辐射通量的光谱来作为参考光谱。虽然直接用环境光获取模块就能获取目标对应的环境光谱，但是此时的环境光谱没有考虑到环境光获取模块和目标光谱获取模块之间的差异性，因此无法直接用作参考光谱。常见获取参考光谱的方法为用标准漫反射白板反射的强度数值代替，这种方法首先需要对环境光获取模块得到的环境光光谱与标准漫反射白板得到的反射光谱之间进行环境光映射关系标定，后续测试中只需要利用环境光获取模块测得目标对应的环境光光谱信息，就能利用该环境光映射关系得到相应的参考光谱。环境光标定时，由于目标光谱获取模块带有偏振结构，使得直接测得的白板反射光谱会受到环境光偏振的影响，因此需要使用目标光谱获取模块在两个互相垂直的偏振角度下测量白板的反射光谱，两者之和才能反映真实的白板反射光谱。环境光映射关系标定的具体步骤如下：
1.1测量环境搭建，测量需要在室外的开阔环境下进行，以确保目标光谱获取模块和环境光获取模块的感知区域对应的环境光照度一致，没有阴影遮挡影响。测量时需要先计算目标地物的布儒斯特角θ，并将目标光谱获取模块以θ附近的倾角采集反射光谱，将白板放置于目标光谱获取模块的采集区域内，使白板的能够完全覆盖目标光谱获取模块的采集范围。白板标定的测量示意图如图5所示。
1.2同步获取环境光光谱和不同偏振角度下的白板光谱，开始标定时，为了消除环境光偏振的影响，需要使用目标光谱获取模块在两个互相垂直的偏振角度下测量白板的反射光谱。以平行于介质面的偏振方向为0°，首先将偏振片的偏振方向设为0°，使目标光谱获取模块和环境光获取模块同步采集原始光谱分别为Iw0与Ir0；然后将偏振片的偏振方向设为90°，同样使目标光谱获取模块和环境光获取模块同步采集原始光谱分别为Iw90与Ir90。由于在不同时间下和不同天气下的环境光强度变化较大，无法用统一的曝光时间来进行原始光谱的获取，采集过程中需要利用数据采集模块调整目标光谱获取模块和环境光获取模块的曝光时间。
1.3光谱预处理，对输入数据进行去噪、滤波等处理过程。
1.4计算获得环境光映射关系，参见图5，对于白板的总反射光谱，需要将偏振角度为0°和90°下测得的白板反射光谱相加来得到，即Iw0+Iw90；而对于此时的环境光谱，由于环境光获取模块两次测得的环境光谱可能存在差异，这里将两次测得的环境光谱取平均来作为白板反射光谱对应的环境光谱，即(Ir0+Ir90)/2。因此，环境光映射系数r可以表示为白板反射光谱与对应环境光谱的比值，即r＝2*(Iw0+Iw90)/(Ir0+Ir90)，然后将此映射关系保存。后续的测量中此后无需再用白板获取参考光谱，只需要利用环境光获取模块测得环境光谱Ir，就能利用该环境光映射系数来计算参考光谱IRef＝r*Ir。
2.反射率计算流程
在环境光映射关系标定完成以后，可以直接利用该系统进行地物反射率的实时监测，通过同步采集环境光获取模块的环境光谱和目标光谱获取模块的目标光谱，就能直接计算得到目标的反射率光谱。反射率计算具体步骤如下：
2.1同步获取环境光光谱和目标地物光谱，测量需要开阔环境下进行，以确保目标光谱获取模块和环境光获取模块的感知区域对应的环境光照度一致，没有阴影遮挡影响。测量时需要将目标光谱获取模块以地物表面布儒斯特角θ附近的倾角来采集反射光谱，如图4的安装图所示。目标光谱获取模块和环境光获取模块同步开始采集原始光谱，分别为Io与Ir，采集过程中需要利用数据采集模块调整目标光谱获取模块和环境光获取模块的曝光时间
2.2光谱预处理，对输入数据进行去噪、滤波等处理过程。
2.3环境光映射关系模型载入，载入之前获取的环境光映射关系模型，根据环境光获取模块测得的环境光谱Ir，就能算出参考光谱IRef＝r*Ir。
2.4地物反射率光谱计算，参见图6，由于目标光谱获取模块带有偏振结构，使得测得的目标地物漫反射光谱也会受到约50％的强度衰减，因此一般可以将目标光谱获取模块测得的光谱Io的两倍当作目标反射光谱，再根据计算出的参考光谱IRef，可以直接利用如下公式计算反射率光谱：
其中，Io为平行于偏振方向的光分量中多个预设波段的光谱强度，Ir为多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度，r为环境光映射系数，参考光谱IRef＝r*Ir，以平行于介质面的偏振方向为0°，将偏振片的偏振方向设为0°，光谱传感器和上光谱仪同步采集原始光谱分别为Iw0与Ir0；然后将偏振片的偏振方向设为90°，得到光谱传感器和上光谱仪同步采集原始光谱分别为Iw90与Ir90。
大部分情况下，目标地物的反射光谱不带有或仅有较小的偏振特性，因此可以直接使用上式来计算反射率光谱，具有较高的准确度。而对于一些具有偏振反射特性的地物，由于偏振结构会对目标反射光谱的谱型或强度产生影响，直接利用上式计算的误差会较大，此时可以先对目标的光谱偏振特性进行标定，获取目标光谱的偏振映射关系模型，然后再反射率光谱计算时代入这一模型就能大大提升对这些具有偏振反射特性地物的测量准确度。
在获得地物目标的反射率光谱后，数据分析模块可以根据输入的模型进行一些特定参数的反演计算，由此来实时获取目标的结构、组分等信息，由于有效消除了目标表面的镜面反射光，测得的反射率光谱更加准确，也使得反演的参数准确度更高。
可选的，参见图7，上述设备还包括反射镜；用于接收环境光照射到目标物体表面反射的反射光，并将环境光照射到目标物体表面反射的反射光反射至偏振结构。可选的，图中708为反射镜，匀光光路701收集到的光被上光谱仪702接收，获得环境光光谱，下光谱仪703与镜头704变为垂直向下测量，这样更有利于两光谱仪的组装，偏振结构705依然以布儒斯特角θ倾斜测量，与镜头704不直接相连接，反射镜708以θ/2的倾角放置，用于将偏振结构705收集的光信息反射到镜头704中，然后被下光谱仪703所采集，数据分析设备707与工业控制板706相连。该实施例的标定与反射率计算的过程不变。
可选的，参见图8，偏振结构为光纤，上述设备还包括第一传导光纤；第一传导光纤，用于接收平行于偏振方向的反射光，并将平行于偏振方向的反射光传导至光谱传感器。可选的，匀光光路为第二传导光纤；第二传导光纤，用于接收匀光光路生成的多角度的漫散射光，并将多角度的漫散射光传导至上光谱仪。参见图8中的809,810为光纤，匀光光路801通过光纤809与上光谱仪802相连，下光谱仪803通过光纤810与偏振结构805相连，数据分析设备807与工业控制板806相连，上光谱仪802与下光谱仪803的安装角度没有特定要求，只需要控制匀光光路801和偏振结构805的安装角度不变，通过光纤导光即可让上下光谱仪采集到环境光与目标反射光信息。其中上下光谱仪可以采用光纤光谱仪结构，也可以通过光纤转接头来接受光纤导入的信号。该实施例的标定与反射率计算的过程不变。
可选的，参见图9，光谱传感器为成像光谱仪；成像光谱仪，用于识别平行于偏振方向的反射光中对应预设待检测区域的多个预设波段的光谱强度。图中911为成像光谱仪，通过将单点式光谱仪用成像光谱仪代替，成像光谱仪911和镜头904依旧组合在一起沿着布儒斯特角检测，匀光光路901与上光谱仪902相连，成像光谱仪911通过镜头904与偏振结构905相连，数据分析设备907与工业控制板906相连，由此可以获取整个检测区域的高光谱图像，而非单点的光谱。从而标定过程中可以准确提取出白板区域，防止检测区域超出了白板范围。同时也使得获取的目标地物反射率不再是一条光谱曲线，而是一整个高光谱反射率立方，从而对于物质结构的检测更加可靠。并且标定与反射率计算的过程与上述实施例基本不变，仅在环境光映射关系标定中需要额外进行一步高光谱图像中白板区域的提取过程。
在实际使用过程中，测量的目标表面不限于水平方向，可以为任意角度，只需要相应地改变目标光谱获取模块的测量角度沿着布儒斯特角附近即可，并且标定与反射率计算的过程也不变。
参见图10，在实际使用过程中，利用高光谱技术进行水质检测时，离水辐射的获取是决定其检测准确度的极其重要一环，而探头直接获取的水体反射光往往包含大量水体表面的镜面反射(主要包括天空反射光以及太阳耀斑)，这些镜面反射不带有任何水体信息，在前期处理工作中须消除，这是提高水质检测精度的关键步骤。图10为在高光谱水质监测领域的应用。在天空光的照射下，匀光材料和水体区域获取的辐射量基本一致。环境光获取模块和目标光谱获取模块分别实时采集环境光谱和水体反射光谱。水面的镜面反射光在经过偏振结构后几乎被完全消除，因此目标光谱获取模块能够采集到较为纯净的离水辐射光谱。根据先前标定的环境光映射关系模型，就可以计算出离水辐射的反射率光谱。然后将反射率光谱输入到水体参数反演模型中，就能计算出当前水质的水质参数数值。利用这一方案可以实现全天候在线水质监测，由于消除了水面反射光，检测的稳定性和准确度都相较于传统方法有了较大的提升。
本申请实施例的第二方面，参见图11，还提供了一种移动检测设备，包括，可移动平台和上述任一的反射率光谱检测设备。
具体的，该技术方案可以应用到其他组分与结构检测领域，比如水体、土壤或者矿石的成分监测。土壤监测主要是获取当前土壤的成分信息，以判断对农作物的生长有何影响；而矿石监测主要是获取矿场中的矿石种类和位置以便于开采。通过本实施例的高光谱遥感技术可以实时获取目标的成分信息。并且针对镜面反射光的存在使得传统的监测技术难以获取准确的目标反射率光谱的问题进行解决，比如土壤成分监测中目标区域存在积水或结冰等情况下，测量准确度会显著降低；再比如矿石成分监测中很多表面光滑的矿石会存在较强的镜面反射光，也会极大地影响检测结果。图11为上述实施例在土壤/矿石成分监测中的应用，以无人机高光谱遥感为平台。在户外空旷环境下，无人机上的匀光材料和目标区域获取的辐射量也基本一致。环境光获取模块和目标光谱获取模块分别实时采集环境光谱和目标区域的反射光谱。目标表面的镜面反射光在经过偏振结构后几乎被完全消除，由此可以计算出较为准确的目标区域反射率光谱。由于采用了面阵成像光谱仪，可以获取整个检测区域的反射率立方，而非单点的光谱。这使得在标定过程中可以准确提取出白板区域，标定过程更加方便可靠。同时也能对目标区域不同位置的组分、结构参数进行反演研究，这在土壤和矿石成分监测领域是相当重要的。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种反射率光谱检测设备，其特征在于，包括：处理器、镜头、偏振结构、光谱传感器、匀光光路、上光谱仪；
所述镜头设置于所述偏振结构和所述光谱传感器之间，所述上光谱仪设置于所述匀光光路后端，所述处理器分别与所述光谱传感器和所述上光谱仪相连；
所述偏振结构，用于接收环境光照射到目标物体表面反射的反射光，并消除所述反射光中垂直于偏振方向的镜面反射光，得到平行于偏振方向的反射光；
所述镜头，用于将所述平行于偏振方向的反射光传递至所述光谱传感器；
所述光谱传感器，用于接收所述平行于偏振方向的反射光，并识别所述平行于偏振方向的反射光中多个预设波段的光谱强度；
所述匀光光路，用于接收多个入射角度的环境光，并使接收的环境光漫射，得到多角度的漫散射光；
所述上光谱仪，用于采集所述多角度的漫散射光，并识别所述多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度；
所述处理器，用于根据所述平行于偏振方向的反射光中多个预设波段的光谱强度和所述多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度，计算所述目标物体的成分信息。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，
所述处理器，具体用于计算所述平行于偏振方向的反射光中多个预设波段的光谱强度，与参考光谱的比值，得到所述目标物体反射率，其中，所述参考光谱与所述多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度正相关；根据所述目标物体的反射率，计算所述目标物体的成分信息。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，
所述处理器，还用于向所述光谱传感器和所述上光谱仪发送采样指令，以使所述光谱传感器和所述上光谱仪根据所述采样指令进行光谱强度的采集；接收并存储所述平行于偏振方向的反射光中多个预设波段的光谱强度和所述多角度的漫散射光中多个预设波段的光谱强度。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括反射镜；
所述反射镜，用于接收环境光照射到目标物体表面反射的反射光，并将环境光照射到目标物体表面反射的反射光反射至所述偏振结构。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括第一传导光纤；
所述第一传导光纤，用于接收所述平行于偏振方向的反射光，并将所述平行于偏振方向的反射光传导至所述光谱传感器。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述匀光光路为第二传导光纤；
所述第二传导光纤，用于接收所述匀光光路生成的多角度的漫散射光，并将所述多角度的漫散射光传导至所述上光谱仪。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光谱传感器为成像光谱仪；
所述成像光谱仪，用于识别所述平行于偏振方向的反射光中对应预设待检测区域的多个预设波段的光谱强度。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述目标物体的成分信息包括多个预设组分的含量信息；
所述处理器，还用于根据所述多个预设组分的含量信息和预设模板，生成所述目标物体成分报告。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述目标物体的成分信息包括目标污染物的含量信息；
所述处理器，还用于当所述目标污染物的含量大于预设阈值时，则判定所述目标物体已被污染，生成并发送污染预警信息。
10.一种移动检测设备，其特征在于，包括，可移动平台和权利要求1-9任一所述的反射率光谱检测设备。
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