CN204323702U - 高光谱分辨率航空影像遥感测量用的无人机系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型有关于一种高光谱分辨率航空影像遥感测量用的无人机系统，该系统包括：锂电池及其供电电路、采控盒、高光谱成像光谱仪、陀螺仪稳定平台、GPS辅助惯导以及无人机；其中锂电池借由供电电路与采控盒、高光谱成像光谱仪连接并为其供电；采控盒包括：ARM处理器、DSP图像处理器、高速FLASH存储器以及高速CF卡，ARM处理器分别与DSP图像处理器、高速FLASH存储器连接，高速CF卡与DSP图像处理器连接；高光谱成像光谱仪经过CameraLink接口与采控盒的DSP图像处理器连接；GPS辅助惯导经惯导接口与采控盒的ARM处理器连接；无人机的控制系统与采控盒的ARM处理器连接。本实用新型集成度高、重量轻、组装方便、维护成本低。

Description

高光谱分辨率航空影像遥感测量用的无人机系统

技术领域

本实用新型涉及航空尺度高光谱遥感领域，特别是涉及一种高光谱分辨率航空影像遥感测量用的无人机系统，可应用于精准农业、矿产勘察、环境监测等领域。

背景技术

目前，航空尺度高光谱遥感领域，传感器搭载平台大多数是有人飞行平台，如热气球、飞艇、三角翼飞机、直升机、遥感飞机、中小型固定翼飞机及其他中小型民用飞机等。由于载人飞行，风险大。另外需要雇佣飞行员、申请空域和航线、租赁飞机、飞行跑道、停机坪、机场等，每次飞行耗资高昂，机动性差，不能在短期内对同一区域反复测试和监控。其高光谱图像数据的获取(采集和存储)，没有成套集成的数据采集设备，都是利用很多单一的模块通过很长的线缆连接，各部分独自供电，且数据的采集存储控制核心大多数情况下都是较大型的台式机或者笔记本。由于系统过于零散、各部分单独供电，更限制了整套系统的机动性和整体紧凑性。另外，飞机飞行速度、传感器帧频和后端数据采集存储的速度，没有完全做到匹配，数据后续处理和图像校正难度极大。这些因素，限制了高光谱成像技术在工程和业务测量的普及应用。而另一方面，近年来无人机技术发展很快，技术日趋成熟，在航拍遥感、军事和农业应用等方向已经显示出了极大的优越性。

有鉴于上述现有的高光谱图像数据的获取设备存在的问题，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的高光谱分辨率航空影像遥感测量用的无人机系统，能够解决现有的高光谱图像数据的获取设备存在的问题，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本实用新型。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种高光谱分辨率航空影像遥感测量用的无人机系统，将一种高集成度、轻便的高光谱遥感图像数据采控盒，结合先进的基于反射式光学系统的高光谱成像光谱仪，将二者嵌入与之匹配的轻型的无人机平台内，集成为一套系统，即高光谱无人机，以满足高机动低成本获取高光谱遥感影像数据的需求。

本实用新型的目的是采用以下的技术方案来实现的。本实用新型提供一种高光谱分辨率航空影像遥感测量用的无人机系统，其包括：锂电池及其供电电路、采控盒、高光谱成像光谱仪、陀螺仪稳定平台、GPS辅助惯导以及无人机；其中所述锂电池及其供电电路、采控盒、高光谱成像光谱仪、陀螺仪稳定平台、GPS辅助惯导均安装在所述无人机内部；所述高光谱成像光谱仪通过所述陀螺仪稳定平台与所述无人机固接；所述锂电池借由供电电路与所述采控盒、高光谱成像光谱仪连接并为其供电；所述采控盒包括：ARM处理器、DSP图像处理器、高速FLASH存储器以及高速CF卡，ARM处理器分别与DSP图像处理器、高速FLASH存储器连接，高速CF卡与DSP图像处理器连接；所述高光谱成像光谱仪经过CameraLink接口与所述采控盒的DSP图像处理器连接；所述GPS辅助惯导经惯导接口与所述采控盒的ARM处理器连接；所述无人机的控制系统与所述采控盒的ARM处理器连接。

本实用新型的目的还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

较佳的，前述的高光谱分辨率航空影像遥感测量用的无人机系统，其中所述高光谱成像光谱仪为大通光孔径的全反射式高光谱成像光谱仪。

较佳的，前述的高光谱分辨率航空影像遥感测量用的无人机系统，其中所述高光谱成像光谱仪设有所述CameraLink接口以及供电接口，该供电接口通过所述供电电路与所述锂电池连接。

较佳的，前述的高光谱分辨率航空影像遥感测量用的无人机系统，其中所述高光谱成像光谱仪经由装夹机构固定在所述陀螺仪稳定平台上，再通过缓冲层和紧固螺栓固定在无人机上。

较佳的，前述的高光谱分辨率航空影像遥感测量用的无人机系统，其中所述采控盒设有所述惯导接口、所述CameraLink接口、供电接口、RS232接口以及连接螺纹组，该供电接口通过所述供电电路与所述锂电池连接，该RS232接口与上位机连接，该连接螺纹组与所述无人机连接。

本实用新型与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本实用新型高光谱分辨率航空影像遥感测量用的无人机系统至少具有下列优点及有益效果：本实用新型提供的一种高光谱分辨率航空影像遥感测量用的无人机系统，可应用于精准农业、矿产勘察、环境监测等领域，它将高光谱数据采集和存储模块(即采控盒)嵌入在无人机内部，构成完整的高光谱成像系统，其集成度高、重量轻、紧凑、移动方便、实用简便。在高光谱航空遥感尺度获取的图像空间分辨率和光谱分辨率较高，且具有较大的灵活性，适合中小区域的地物生化、物理和化学等信息的研究分析。无人机的航线和高度可以在一定范围内变化，而且资料回收容易、数据质量高，无人机和设备的检修保养容易。维护成本低，可在短期内对同一区域反复测试和监控，由于能在卫星不能到达的平流层活动作业，可以用作卫星的定标使用。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例,并配合附图,详细说明如下。

附图说明

图1是本实用新型的高光谱分辨率航空影像遥感测量用的无人机系统框图。

图2是本本实用新型的采控盒的透视图。

图3是本本实用新型的高光谱成像光谱仪的立体图。

图4是本本实用新型的装夹机构的立体图。

图5是本本实用新型的陀螺仪稳定平台的立体图。

图6是本本实用新型的高光谱成像光谱仪与装夹机构的连接示意图。

图7是本本实用新型的高光谱成像光谱仪与装夹机构、陀螺仪稳定平台的连接示意图。

图8是本本实用新型的高光谱分辨率航空影像遥感测量用的方法的流程图。

图9是本本实用新型的无人机与高光谱成像光谱仪的参数匹配算法原理立体图。

【主要元件符号说明】

1：锂电池                          2：供电电路

3：采控盒                          30：工作指示灯

31：ARM处理器                      32：DSP图像处理器

33：高速FLASH存储器                34：高速CF卡

35：惯导接口                       36：供电接口

37：RS232接口                      38：CameraLink接口

39：连接螺纹组                     4：高光谱成像光谱仪

41：CameraLink接口                 42：供电接口

43：紧固螺母座                     5：陀螺仪稳定平台

51：连接螺纹                       52：连接接口

6：GPS辅助惯导                     61：GPS接收模块

62：IMU惯导                        7：无人机

71：无人机控制系统                 8：上位机

9：装夹机构                        91：连接转轴

92：连接孔                      93：紧固螺钉

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的一种高光谱分辨率航空影像遥感测量用的无人机系统其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

实施例一，高光谱分辨率航空影像遥感测量用的无人机系统。

请参阅图1，本实用新型的高光谱分辨率航空影像遥感测量用的无人机系统包括：锂电池1及其供电电路2、采控盒3、高光谱成像光谱仪4、陀螺仪稳定平台5、GPS辅助惯导6以及无人机7。其中，锂电池1及其供电电路2、采控盒3、高光谱成像光谱仪4、陀螺仪稳定平台5以及GPS辅助惯导6均安装在无人机7内部。

具体的，锂电池1通过供电电路2分别与采控盒3、高光谱成像光谱仪4连接，为其供电，而无人机有自己的动力系统，不用外接供电装置。

请同时参阅图1和图2，采控盒3包括ARM处理器31、DSP图像处理器32、高速FLASH存储器33以及高速CF卡34。ARM处理器31分别与DSP图像处理器32、高速FLASH存储器33连接，高速CF卡34与DSP图像处理器32连接。请参阅图2(图中省略内部的ARM处理器31、DSP图像处理器32、高速FLASH存储器33)，采控盒3还设有惯导接口35、供电接口36、RS232接口37、CameraLink接口38以及连接螺纹组39。供电接口36通过供电电路2与锂电池1连接。采控盒3通过连接螺纹组39与无人机7固接。同时，采控盒3还设有用于显示工作状态的工作指示灯30，采控盒3的表面采用金化处理，用以隔绝高光谱成像光谱仪4对无人机7以及无人机7对高光谱成像光谱仪4的电磁干扰。具体的，采控盒3的数据采集及存储过程为：采控盒3的ARM处理器31接收到无人机7的控制系统71给出的特定格式的触发信号后，发送指令给DSP图像处理器32，让其采集高光谱遥感图像数据，DSP图像处理器32将采集的高光谱遥感图像数据存储于高速CF卡34中；同时ARM处理器31发送指令给GPS辅助惯导6，读取其GPS位置信息和姿态参数后存储在FLASH存储器33中。采控盒3是集数据采集与存储为一体，可同时采集存储高光谱遥感图像数据和每一帧图像一一对应的高光谱成像光谱仪的位置信息，位置信息包括：GPS位置信息(经度、纬度)、海拔、高光谱成像光谱仪的姿态参数(偏航、翻滚、俯仰)，其集成度高、结构紧凑。

请同时参阅图1至图3，高光谱成像光谱仪4设有CameraLink接口41、供电接口42以及紧固螺母座43，利用CameraLink线连接高光谱成像光谱仪4的CameraLink接口41与采控盒3的CameraLink接口38，以使高光谱成像光谱仪4与采控盒3的DSP图像处理器32相连接，因此，高光谱成像光谱仪4采集的高光谱遥感图像数据可通过CameraLink线传输至采控盒3的DSP图像处理器32，DSP图像处理器32用于发指令直接配置采集参数去采集高光谱图像，将图像高速缓存后，存储于高速CF卡34中。供电接口42通过供电电路2与锂电池1连接。高光谱成像光谱仪4较佳为大通光孔径的全反射式高光谱成像光谱仪。

更加详细的，请参阅图3、图4、以及图6，装夹机构9的连接孔92和高光谱成像光谱仪4的紧固螺母座43连接，再通过装夹机构9的紧固螺钉93与高光谱成像光谱仪4固接在一起。请再参阅图5和图7，陀螺仪稳定平台5设有连接螺纹51和连接接口52，装夹机构9与高光谱成像光谱仪4固接在一起后，整体再通过装夹机构9的连接转轴91与陀螺仪稳定平台5的连接接口52连接，最后通过紧固螺栓和陀螺仪稳定平台5的多个连接螺纹51，经特定固有频率的缓冲层，将装配整体与无人机7连接。

GPS辅助惯导6包括GPS接收模块61和IMU惯导62，其中GPS接收模块61可以内嵌于采控盒3中或设于采控盒3外部，GPS接收模块61用于接收卫星的GPS信息，以辅助IMU惯导62定位和测速，IMU惯导62用于记录高光谱成像光谱仪4的姿态参数，如三个轴的偏转角度和速度等。GPS辅助惯导6经采控盒3的惯导接口35与采控盒3的ARM处理器31连接，以将GPS辅助惯导6的GPS位置信息和IMU惯导数据读取后存储在FLASH存储器33中。

无人机7的控制系统71与采控盒3的ARM处理器31连接，具体的，是将无人机7的控制系统71的信号线与采控盒3的ARM处理器31连接，以将触发信号传输给采控盒3的ARM处理器31，ARM处理器31接收到触发信号后即开始采集数据。

总的来说，本实用新型的高光谱分辨率航空影像遥感测量用的无人机系统将高光谱遥感图像数据采集和存储所依赖的各个模块集成到采控盒3，并嵌入在无人机7的内部，具体的，主要是负责采集高光谱遥感图像数据和对应高光谱成像光谱仪的位置信息(经度、纬度、海拔、俯仰、翻滚、偏航、速度、水平精度等)，保证二者的高速采集和一一对应。测试结束后，可通过上位机8进行数据下载，构成完整的高光谱成像系统，达到了集成度高、重量轻、紧凑、移动方便、实用简便的效果。

实施例二，高光谱分辨率航空影像遥感测量用的方法。

本实用新型还提出一种高光谱分辨率航空影像遥感测量用的方法，请参阅图8，具体包括以下步骤：

步骤S1，无人机起飞前，对采控盒和高光谱成像光谱仪配置采集参数、采集暗电流以及白板高光谱数据；

具体的，在步骤S1中，是执行以下内容：对高光谱成像光谱仪调焦、设置高光谱成像光谱仪光谱通道和积分时间等采集参数；其中，采集暗电流和白板高光谱数据是用于地面定标，白板的高光谱数据可用作求后续飞行中测得的地物的反射率。

其中，通过一定的算法原理调整无人机的飞行速度与高光谱成像光谱仪的采集参数匹配，具体的，如图9所示的无人机与高光谱成像光谱仪的参数匹配算法原理立体图，t为每帧数据时间，θ为高光谱成像光谱仪的瞬时视场角，其对应的地面幅宽L为单个相元对应的地面长度，即该高度和；为视场角，对应的地面幅宽为空间维方向相元数对应的地面长度。无人机在一定高度H飞行作业，要想高光谱成像光谱仪的帧频与其速度匹配，必须满足V＝L/t＝(2*H*Tan(θ/2))/t，即在帧时间t内，无人机必须得以一定的速度V，覆盖宽度为L的距离。

在执行步骤S1后，还需执行下述步骤S11：地面航带上铺设定标用的黑白板，用于后续飞行测试中在航带上采集黑白板的高光谱数据，以进行大气校正。

步骤S2，飞行测试中，采控盒接收无人机控制系统的触发信号，开始按照设定的航线采集并存储高光谱遥感图像数据以及高光谱成像光谱仪的位置信息；

具体的，采集的触发方式为GPS位点触发采集，无人机到达指定GPS位点，无人机的控制系统给出特定格式的触发信号给采控盒，采控盒接收到该指定触发信号时，开始采集并存储高光谱遥感图像数据以及高光谱成像光谱仪的位置信息。具体的数据采集及存储过程在实施例一中已进行说明，在此不再赘述。需要说明的是，采控盒是同时采集并存储高光谱遥感图像数据和每一帧图像一一对应的高光谱成像光谱仪的位置信息，高光谱遥感图像数据是包含地面黑白板的高光谱遥感图像数据，采控盒在采集设定航带区域地物光谱影像数据的同时，用采集到的地面黑白板的高光谱遥感图像数据作为大气校正，即空中标定，是一种采集结果的标定和校正。高光谱成像光谱仪的位置信息包括：GPS位置信息(经度、纬度)、高光谱成像光谱仪的姿态参数(偏航、翻滚、俯仰)以及海拔等数据信息；

步骤S3，飞行结束后，采控盒接收来自上位机的指令，采集结束；

具体的，测试完所有设定航线，飞行结束后，采控盒的RS232接口和上位机通过RS232线缆相连，利用地面上位机装载的专用采控软件，经由RS232协议发送指令给采控盒，采集结束。

步骤S4，对采集的数据进行下载；

具体的，步骤S4中下载的数据包括：GPS位置信息、高光谱成像光谱仪的姿态参数以及高光谱遥感图像数据；其中下载数据包括以下步骤：

步骤S41：采控盒的RS232接口和上位机通过RS232线缆相连，利用上位机的采控软件，通过RS232协议下载GPS位置信息、高光谱成像光谱仪的姿态参数；以及

步骤S42：拔下采控盒上的高速CF卡，通过CF卡读卡器、经由上位机7的采控软件下载高光谱遥感图像数据。

步骤S5，利用几何校正软件，辅助下载的数据，进行图像的几何校正；

具体的，步骤S5中，是利用几何校正软件，依据行相关算法原理，辅助GPS位置信息和高光谱成像光谱仪的姿态参数，进行图像的几何校正。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种高光谱分辨率航空影像遥感测量用的无人机系统，其特征在于包括：锂电池及其供电电路、采控盒、高光谱成像光谱仪、陀螺仪稳定平台、GPS辅助惯导以及无人机；其中

所述锂电池及其供电电路、采控盒、高光谱成像光谱仪、陀螺仪稳定平台、GPS辅助惯导均安装在所述无人机内部；

所述高光谱成像光谱仪通过所述陀螺仪稳定平台与所述无人机固接；

所述锂电池借由供电电路与所述采控盒、高光谱成像光谱仪连接并为其供电；

所述采控盒包括：ARM处理器、DSP图像处理器、高速FLASH存储器以及高速CF卡，ARM处理器分别与DSP图像处理器、高速FLASH存储器连接，高速CF卡与DSP图像处理器连接；

所述高光谱成像光谱仪经过CameraLi nk接口与所述采控盒的DSP图像处理器连接；

所述GPS辅助惯导经惯导接口与所述采控盒的ARM处理器连接；

所述无人机的控制系统与所述采控盒的ARM处理器连接。

2.根据权利要求1所述的高光谱分辨率航空影像遥感测量用的无人机系统，其特征在于，所述高光谱成像光谱仪为大通光孔径的全反射式高光谱成像光谱仪。

3.根据权利要求2所述的高光谱分辨率航空影像遥感测量用的无人机系统，其特征在于，所述高光谱成像光谱仪设有所述CameraLi nk接口以及供电接口，该供电接口通过所述供电电路与所述锂电池连接。

4.根据权利要求1所述的高光谱分辨率航空影像遥感测量用的无人机系统，其特征在于，所述高光谱成像光谱仪经由装夹机构固定在所述陀螺仪稳定平台上，再通过缓冲层和紧固螺栓固定在无人机上。

5.根据权利要求1所述的高光谱分辨率航空影像遥感测量用的无人机系统，其特征在于，所述采控盒设有所述惯导接口、所述CameraLink接口、供电接口、RS232接口以及连接螺纹组，该供电接口通过所述供电电路与所述锂电池连接，该RS232接口与上位机连接，该连接螺纹组与所述无人机连接。