CN117804600A - 一种集成式水下高光谱成像监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成式水下高光谱成像监测系统及方法，所述集成式水下高光谱成像监测系统包括光谱成像系统和成像辅助系统，所述光谱成像系统包括：推扫式成像光谱仪和积分视场光谱仪，所述成像辅助系统包括：水下照明光源、水下激光测距设备和系统支架，所述推扫式成像光谱仪、所述积分视场光谱仪、水下照明光源和水下激光测距设备均固定安装在所述系统支架上；具有可搭载于多种平台，应用范围广；空间分辨率高，监测到目标的形状纹理特征更为清晰；光谱分辨率高，具有更为精细的光谱维特征的优点。

Description

一种集成式水下高光谱成像监测系统及方法

技术领域

本发明涉及水下探测技术领域，尤其涉及一种集成式水下高光谱成像监测系统及方法。

背景技术

随着江河湖泊、海洋等水环境的开发利用，高时效、高分辨率的水下成像是亟需突破的技术难点。传统水下探测技术为声学探测，其中多波束扫描等技术得到大量应用，声学探测具有探测距离远、不受浑浊度影响等优点，是鱼群定位、水下测绘等领域的成熟技术手段。由于波长及基阵尺寸的限制，声学探测的分辨率低，无法实现水下目标的精确测量，尤其是目标颜色、纹理等信息存在丢失。作为水下探测的另一个技术途径，光电成像技术以其分辨能力高、能够直观快速地监测目标与环境的二维乃至三维信息，逐渐成为诸多潜水器、水下作业系统的必要装备。在水下考古、岛礁生态监测、打捞搜救等方面具有明显优势。其中，高光谱成像技术凭借其光谱、空间信息可以同时获取、分辨率高的探测特点，成为水下光电探测技术中的一个研究热点。

目前较为常见的水下光电探测方式为基于大功率LED或者卤素灯连续照明的水下成像如说明书附图1，考虑到光线的衰减问题，通常采用透射比较大的蓝绿波段。入瞳辐射包括目标反射、水体后向散射、杂散光等多部分来源，导致成像对比度低，同时存在平台抖动、系统失焦等因素引入的模糊，因此后期处理难度较大。该类系统结构功能简单，成本低，往往应用于便携式潜水设备，存在依赖目视解译、场景受限、目标辨识能力差等问题，无法满足考古、生态监测等领域精细化成像的需求；

光谱成像根据扫描方式的不同，可分为摆扫式、推扫式等几种类型，如下图2所示。摆扫式的视场角最大，往往针对大范围的目标，但成像速度慢，信噪比低，由于存在转动结构，对于平台稳定性要求高，不适用于水下成像。窗扫式跟画幅式成像信噪比高，受限于光学结构，光谱分辨率相对较低，比较适用于静止平台。推扫式通过面阵sensor的固体自扫描和平台移动完成二维空间扫描，探测器上的每一行对应场景某一行目标的各谱段信号，该方式信噪比高，可以实现较高的空间、光谱分辨率，是目前主流的水下成像方式；

以一种滤光轮式水下光谱成像系统为例，通过滤光片与转轮结构相结合，即以时分复用的方式滤过不同波段的光线，分别凝视成像。波段范围在400-700nm之间，以两个转轮组合使用，光谱分辨率为10nm，同时采用自主研制的照明系统进行照明。该方式光通量较大，信噪比好，但光谱分辨率很难提高，容易导致整体结构过大。

总结下来，目前已有的水下光电成像系统以定点观测为主，潜航平台搭载为辅，光谱维信息利用较少，探测幅宽与空间分辨率未能很好权衡，较难兼容满足大范围快速搜寻与精细探测分析这两类功能需求，而这两种需求在水下考古、打捞搜索、目标监测等方面是必不可少的。

所以提供一种集成式水下高光谱成像监测系统及方法，能够解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，目前已有的水下光电成像系统以定点观测为主，潜航平台搭载为辅，光谱维信息利用较少，探测幅宽与空间分辨率未能很好权衡，较难兼容满足大范围快速搜寻与精细探测分析这两类功能需求，而这两种需求在水下考古、打捞搜索、目标监测等方面是必不可少的，所以提供一种集成式水下高光谱成像监测系统及方法，所述集成式水下高光谱成像监测系统包括：

光谱成像系统和成像辅助系统，所述光谱成像系统包括：推扫式成像光谱仪和积分视场光谱仪，所述成像辅助系统包括：水下照明光源、水下激光测距设备和系统支架，所述推扫式成像光谱仪、所述积分视场光谱仪、水下照明光源和水下激光测距设备均固定安装在所述系统支架上。

进一步地，所述推扫式光谱仪包括两个推扫式成像光谱模块，所述推扫式成像光谱模块包括第一信号处理及目标识别单元、CMOS探测器、offner分光组件、第一狭缝、离轴三反望远镜，所述CMOS探测器与所述第一信号处理及目标识别单元电连接，所述第一信号处理及目标识别单元与积分视场光谱仪电连接，所述offner分光组件与所述CMOS探测器电连接，所述狭缝安装在所述offner分光组件的正前方，所述offner分光组件的正前方固定安装有离轴三反望远镜。

进一步地，所述积分视场光谱仪包括：望远镜单元、两反像放大器、像切分器、反射镜阵列、第二狭缝单元、光谱仪、CCD焦平面阵列、第二信号处理及目标识别单元和控制系统，所述控制系统同时和所述望远镜系统和第二信号处理及目标识别系统均交互连接，所述第二信号处理及目标识别模块与所述第一信号处理及目标识别单元进行交互，所述望远镜系统、所述两反像放大器、所述像切分器、所述反射镜阵列、所述第二狭缝单元、所述光谱仪和所述CCD焦平面阵列依次电连接，所述CCD焦平面阵列与第二信号处理及目标识别单元电连接。

进一步地，所述水下照明光源包括光源基板、反光罩和COB灯珠，所述COB灯珠固定安装在所述反光灯罩内，所述光源基板与所述COB灯珠电连接。

进一步地，所述光源基板包括主控芯片、恒流驱动芯片和测温电阻，所述测温电阻和所述恒流驱动芯片同时与主控芯片电连接，所述恒流驱动芯片用于驱动所述COB灯珠。

进一步地，所述第一信号处理及目标识别单元和第二信号处理及目标识别单元之间采用RS422进行通信，所述第一信号处理及目标识别单元以及第二信号处理及目标识别单元均为EPGA芯片。

另一方面，本申请还提供一种集成式水下高光谱成像监测的方法，用于如上任意一项所述的集成式水下高光谱成像监测系统，包括：

S1、系统状态稳定的情况下，开启光源成像系统上电；

S2、通过推扫式成像光谱仪进行光谱成像；

S3、对推扫式成像光谱仪的成像进行图像处理；

S4、判断成像的图像中是否有感兴趣的目标，若有，则停止巡航，调整积分视场光谱仪位置，使其正对推扫式成像光谱仪成像时正对的方向；

S5、通过积分视场光谱仪进行光谱成像；

S6、对积分视场光谱仪的成像进行图像处理；

S7、判断是否完成识别分析，若是，则巡航扫描继续。

进一步地，判断成像的图像中是否有感兴趣的目标，若否，则返回步骤S2；

判断是否完成识别分析，若否，则返回步骤S6。

进一步地，所述步骤S3和步骤S6中的图像处理流程包括：

对图像进行去噪；

对图像进行几何校正及配准；

进行光场建模及辐射补偿；

对杂散光进行校正；

图像增强；

数据降维及波段选择；

构建光谱数据库；

结合光谱特征和纹理特征的目标识别算法。

实施本发明，具有如下有益效果：

1.本发明可搭载于多种平台，应用范围广；空间分辨率高，监测到目标的形状纹理特征更为清晰；光谱分辨率高，具有更为精细的光谱维特征；普查状态下，进行推扫式光谱成像，幅宽大；详查状态下，进行积分视场光谱成像，灵敏度高；状态可切换，控制灵活，整体功耗低；结合图像算法和无人潜航器，可实现自动化巡航监测。

附图说明

图1为现有技术水下光电成像示意图；

图2为本发明光谱成像系统的结构图；

图3为本发明的反光灯罩的结构图；

图4为本发明的流程图。

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。

实施例

请参阅说明书附图2-4，本实施例中所要解决的技术问题在于，目前已有的水下光电成像系统以定点观测为主，潜航平台搭载为辅，光谱维信息利用较少，探测幅宽与空间分辨率未能很好权衡，较难兼容满足大范围快速搜寻与精细探测分析这两类功能需求，而这两种需求在水下考古、打捞搜索、目标监测等方面是必不可少的，所以提供一种集成式水下高光谱成像监测系统及方法，所述集成式水下高光谱成像监测系统包括：

光谱成像系统和成像辅助系统，光谱成像系统包括：推扫式成像光谱仪和积分视场光谱仪，成像辅助系统包括：水下照明光源、水下激光测距设备和系统支架，推扫式成像光谱仪、积分视场光谱仪、水下照明光源和水下激光测距设备均固定安装在系统支架上；水下照明光源用于激发水下目标的荧光，或为水下目标提供照明；水下激光测距系统测量目标物体与成像系统之间的距离，最终用于矫正水体对光能量的衰减。激光测距设备以单点式为主，具有较多成熟货架产品可选择。系统支架的设计取决于具体搭载平台的选择，通常采用结构强度大、轻量化的设计，以满足水下潜航需求。

推扫式光谱仪包括两个推扫式成像光谱模块，推扫式成像光谱模块包括第一信号处理及目标识别单元、CMOS探测器、offner分光组件、第一狭缝、离轴三反望远镜，CMOS探测器与第一信号处理及目标识别单元电连接，第一信号处理及目标识别单元与积分视场光谱仪电连接，offner分光组件与CMOS探测器电连接，狭缝安装在offner分光组件的正前方，offner分光组件的正前方固定安装有离轴三反望远镜。

积分视场光谱仪包括：望远镜单元、两反像放大器、像切分器、反射镜阵列、第二狭缝单元、光谱仪、CCD焦平面阵列、第二信号处理及目标识别单元和控制系统，控制系统同时和望远镜系统和第二信号处理及目标识别系统均交互连接，第二信号处理及目标识别模块与第一信号处理及目标识别单元进行交互，望远镜系统、两反像放大器、像切分器、反射镜阵列、第二狭缝单元、光谱仪和CCD焦平面阵列依次电连接，CCD焦平面阵列与第二信号处理及目标识别单元电连接。

水下照明光源包括光源基板、反光罩和COB灯珠，COB灯珠固定安装在反光灯罩内，光源基板与COB灯珠电连接；光源基板包括主控芯片、恒流驱动芯片和测温电阻，测温电阻和恒流驱动芯片同时与主控芯片电连接，恒流驱动芯片用于驱动COB灯珠；COB灯珠是LED芯片直接贴在高反光率的镜面金属基板上的高光效集成面光源，具有降低二次光学的设计难度，提高光学质量等优点。现有的COB灯珠一颗就可以输出几千甚至上万流明的能量，大功率的光输出减少了需要使用的COB灯珠的数量。因此本系统拟采用COB灯珠作为光源。二次配光设计主要有反光罩设计、聚光透镜设计等。反光罩的作用是提高初始发散角全角有100°甚至130°的光源边缘光线的利用率，通过反射将边缘光线改变出射方向，往中心靠拢从而减少能量损失。

第一信号处理及目标识别单元和第二信号处理及目标识别单元之间采用RS422进行通信，第一信号处理及目标识别单元以及第二信号处理及目标识别单元均为EPGA芯片。

另一方面，本申请还提供一种集成式水下高光谱成像监测的方法，用于如上任意一项的集成式水下高光谱成像监测系统，包括：

S1、系统状态稳定的情况下，开启光源成像系统上电；

S2、通过推扫式成像光谱仪进行光谱成像；

S3、对推扫式成像光谱仪的成像进行图像处理；

S4、判断成像的图像中是否有感兴趣的目标，若有，则停止巡航，调整积分视场光谱仪位置，使其正对推扫式成像光谱仪成像时正对的方向；若否，则返回步骤S2；

S5、通过积分视场光谱仪进行光谱成像；

S6、对积分视场光谱仪的成像进行图像处理；

S7、判断是否完成识别分析，若是，则巡航扫描继续；若否，则返回步骤S6。

步骤S3和步骤S6中的图像处理流程包括：

对图像进行去噪；常见的图像去噪算法主要分为四类，即滤波类，稀疏表达类，聚类低秩类，以及外部先验类。考虑到目标识别的实时性以及平台的限制性，不适宜采用计算复杂度高、模型庞大的算法。滤波法是进行随机噪声去除的常用方法，其运行速度通常较快。滤波类算法可分为空域滤波算法，频域滤波算法及二者的结合算法。在进行实验标定时，可分析探测器特性，选择合适的滤波算法，例如工程应用中常见的均值滤波、中值滤波等；

对图像进行几何校正及配准；获取光谱数据立方体，需要做图像配准。水下图像匹配具有一定的独特性，主要体现在：不同通道之间的图像位移主要表现为旋转和平移；由于谱线扭曲，通道之间灰度差异大，甚至表现为灰度翻转。结合以上特点，适合采用SURF、SIFT等配准算法，设计出两种特征相关的配准方法；

进行光场建模及辐射补偿；由于光源发散造成的能量衰减及水体衰减等多因素影响，不同距离下的目标光谱响应不同，需要对成像系统进行标定。一种是等距离白板标定，另一种为建立水下光场模型，结合被动式光谱成像模型，求解出水下毎一点的光源辐射强度，实现对目标反射率的计算；

对杂散光进行校正；当前去雾算法主要分为基于图像统计学和基于物理模型。物理模型需要对光线传输进行建模，计算复杂度高，不太适用于嵌入式平台。常见的统计学方法包括直方图均衡化、同态滤波法、小波变换法等算法，工程化实现较为简单；

图像增强；图像增强主要目的为去除图像边缘的模糊效应，提升图像质量。水下随机模糊主要产生于平台抖动，一般以防抖平台或者图像估计来解决。系统模糊体现为相机的离焦效应，水体前向散射以及算法引入的平滑效果。可基于点扩散函数（Point SpreadFunction, PSF），进行滤波去模糊；

数据降维及波段选择；降维及波段选择主要是为了解决高光谱数据冗余高带来的处理速度慢问题，即使用某种策略从全部波段数据中选择出针对某种应用最为高效的子集。降维的方法很多，包括基于统计学分析、基于光谱特性、全局搜索等类型，根据实际应用进行选择，例如PCA就是较为典型的降维方法；

构建光谱数据库；若想通过分类方法对各种物质进行准确的识别，首先需要建立庞大的水下光谱数据库，以应对水下谱线变化的问题，这是提高识别准确性的前提。这也是水下光谱成像的难点，工作量巨大，且极易受不同水环境类型的干扰。为减少工作量，这里采用的方式，只针对特定环境下的多类目标进行数据库构建，即包含一定的先验选择；

结合光谱特征和纹理特征的目标识别算法；若想通过分类方法对各种物质进行准确的识别，首先需要建立庞大的水下光谱数据库，以应对水下谱线变化的问题，这是提高识别准确性的前提。这也是水下光谱成像的难点，工作量巨大，且极易受不同水环境类型的干扰。为减少工作量，这里采用的方式，只针对特定环境下的多类目标进行数据库构建，即包含一定的先验选择。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种集成式水下高光谱成像监测系统，其特征在于，包括：光谱成像系统和成像辅助系统，所述光谱成像系统包括：推扫式成像光谱仪和积分视场光谱仪，所述成像辅助系统包括：水下照明光源、水下激光测距设备和系统支架，所述推扫式成像光谱仪、所述积分视场光谱仪、水下照明光源和水下激光测距设备均固定安装在所述系统支架上。

2.根据权利要求 1所述的集成式水下高光谱成像监测系统，其特征在于，所述推扫式光谱仪包括两个推扫式成像光谱模块，所述推扫式成像光谱模块包括第一信号处理及目标识别单元、CMOS探测器、offner分光组件、第一狭缝、离轴三反望远镜，所述CMOS探测器与所述第一信号处理及目标识别单元电连接，所述第一信号处理及目标识别单元与积分视场光谱仪电连接，所述offner分光组件与所述CMOS探测器电连接，所述狭缝安装在所述offner分光组件的正前方，所述offner分光组件的正前方固定安装有离轴三反望远镜。

3.根据权利要求2所述的集成式水下高光谱成像监测系统，其特征在于，所述积分视场光谱仪包括：望远镜单元、两反像放大器、像切分器、反射镜阵列、第二狭缝单元、光谱仪、CCD焦平面阵列、第二信号处理及目标识别单元和控制系统，所述控制系统同时和所述望远镜系统和第二信号处理及目标识别系统均交互连接，所述第二信号处理及目标识别模块与所述第一信号处理及目标识别单元进行交互，所述望远镜系统、所述两反像放大器、所述像切分器、所述反射镜阵列、所述第二狭缝单元、所述光谱仪和所述CCD焦平面阵列依次电连接，所述CCD焦平面阵列与第二信号处理及目标识别单元电连接。

4.根据权利要求3所述的集成式水下高光谱成像监测系统，其特征在于，所述水下照明光源包括光源基板、反光罩和COB灯珠，所述COB灯珠固定安装在所述反光灯罩内，所述光源基板与所述COB灯珠电连接。

5.根据权利要求 4所述的集成式水下高光谱成像监测系统，其特征在于，所述光源基板包括主控芯片、恒流驱动芯片和测温电阻，所述测温电阻和所述恒流驱动芯片同时与主控芯片电连接，所述恒流驱动芯片用于驱动所述COB灯珠。

6.根据权利要求5所述的集成式水下高光谱成像监测系统，其特征在于，所述第一信号处理及目标识别单元和第二信号处理及目标识别单元之间采用RS422进行通信，所述第一信号处理及目标识别单元以及第二信号处理及目标识别单元均为EPGA芯片。

7.一种集成式水下高光谱成像监测的方法，用于如权利要求1-6任意一项所述的集成式水下高光谱成像监测系统，其特征在于，包括：

S1、系统状态稳定的情况下，开启光源成像系统上电；

S2、通过推扫式成像光谱仪进行光谱成像；

S3、对推扫式成像光谱仪的成像进行图像处理；

S4、判断成像的图像中是否有感兴趣的目标，若有，则停止巡航，调整积分视场光谱仪位置，使其正对推扫式成像光谱仪成像时正对的方向；

S5、通过积分视场光谱仪进行光谱成像；

S6、对积分视场光谱仪的成像进行图像处理；

S7、判断是否完成识别分析，若是，则巡航扫描继续。

8.根据权利要求7所述的集成式水下高光谱成像监测方法，其特征在于，

判断成像的图像中是否有感兴趣的目标，若否，则返回步骤S2；

判断是否完成识别分析，若否，则返回步骤S6。

9.根据权利要求8所述的集成式水下高光谱成像监测方法，其特征在于：所述步骤S3和步骤S6中的图像处理流程包括：

对图像进行去噪；

对图像进行几何校正及配准；

进行光场建模及辐射补偿；

对杂散光进行校正；

图像增强；

数据降维及波段选择；

构建光谱数据库；

结合光谱特征和纹理特征的目标识别算法。