CN207689369U - 基于高光谱相机和面阵相机及pos系统的高光谱成像系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了基于高光谱相机和面阵相机及POS系统的高光谱成像系统，包括采集目标一维影像数据的高光谱相机，所述高光谱相机连接处理器，所述高光谱相机一侧固定连接有采集目标二维影像数据的面阵相机，所述面阵相机拍摄的二维区域包括所述高光谱相机拍摄的线型区域，所述高光谱相机上还设置采集高光谱相机位置数据和姿态数据的POS系统，所述面阵相机和POS系统均与处理器连接；本实用新型具备很强的实用性，搭载平台成本低，通过无线传输和远程控制即能实现对搭载平台的控制，可以在地面上实时观察到拍摄目标的区域、无人机的飞行姿态、采集的图像效果等。
Description
技术领域
本实用新型涉及遥感技术领域，具体涉及基于高光谱相机和面阵相机及POS系统的高光谱成像系统。
背景技术
遥感技术的发展在经历了全色(黑白)、彩色(RGB)，多光谱扫描成像阶段之后，由在上世纪80年代初期出现的成像光谱技术，促使光学遥感进入了一个崭新的阶段——高光谱遥感阶段。所谓的高光谱指的是具有高光谱分辨率的遥感科学和技术，成像光谱技术所使用的成像光谱仪能够在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和短波红外区域，获取许多非常窄且光谱连续的图像数据。成像光谱仪为每一个像元提供数十至数百个窄波段的光谱信息，由此而构成一条完整而且连续的光谱曲线。成像光谱仪将视场范围内观察的各种地物以完整的光谱曲线记录下来，而对所记录的数据进行分析处理和研究是多学科所要进行的工作。
作为一门新兴的交叉学科，其主要建立在传感器、计算机等技术的基础上，涉及到电磁波理论、光谱学与色度学、物理/几何光学、电子工程、信息学、地理学、农学、大气科学、海洋学等多门学科。而电磁波理论则是遥感技术的物理基础，电磁波与地表物质的相互作用机理、电磁波在不同介质中的传输模型和对其进行接收、分析是综合各门学科和技术的核心所在。针对不同地物的不同光谱特征，利用高光谱图像可有效地区分和识别地物，是一种典型的非接触性无损检测技术，可同时获取目标的空间和光谱信息，根据不同材质的“指纹”光谱特征可实现对目标的探测识别等工作。因而被广泛地应用于大气探测、医学诊断、物质分类和目标识别、国土资源、生态、环境监测和城市遥感中，由于行业的特殊性和技术应用手段的限制，大多通过卫星遥感、固定翼飞行器、旋翼无人机等方式来获取其遥感数据。
传统的推扫式高光谱成像系统均采用通过Pos系统记录的姿态信息实现对光谱图像的几何修正。这种方式适用于星载和有人机系统，而对于稳定性较差的无人机系统POS系统的精度难以满足应用需求。
而使用旋翼无人机搭载高光谱相机进行推扫成像的模式，在相机系统内部集成扫描机构，旋翼无人机悬停在空中，通过三维增稳云台的实时调整，保证高光谱相机姿态始终处于稳定状态下，而系统内置的扫描位移台会通过控制狭缝的扫描，进而获取目标对象的图像(空间)信息和光谱信息。通过三轴增稳云台将成像系统悬挂在旋翼无人机上。成像光谱仪和面阵单色相机完整的结合在一起，成像镜头与扫描机构固定在一起，这两个独立模块之间要保持光轴一致，成像镜头会在扫描电机的带动下与成像光谱和面阵相机的组合有一个相对运动，也就是说，成像镜头会在电机的带动下运动，而成像光谱仪和相机组合体则并不会动，与成像镜头之间保持有一个相对移动的趋势。成像镜头与其内部的一个一维扫描电机组合体固定在一起，其成像镜头的主光轴与成像光谱仪和探测器的主光轴通过机械固定的方式来保持。入射光束进入成像镜头后，再经过与之保持同一主光轴的成像光谱仪的分光，最后将被测物体的像(信息)呈在探测器上。成像光谱仪每次成目标上一条线的像(信息)，并分光使每个光谱成分对应线阵(实际上是一个面阵，光谱维度不记录位置信息)上的一个像素点。因此，每一幅来自光谱相机的图像结构包括一个维度(空间轴)上的线阵像素和在另一个维度(光谱轴)上的光谱分布(光在光谱元素的强度)。而要将目标对象所有的像都呈现在面阵探测器上，需要目标物和成像系统之间有一个相对的运动。系统内部有一个固定成像镜头的转接件，此转接件会在电机的作用下，与谱仪狭缝相平行，并相对于狭缝平面进行扫描(运动)，这样高光谱数据立方体在镜头的移动以及面阵探测器共同的作用下，一行一行建立起来，并且拼接成一副完整的图像。在此过程中，镜头在电机的驱动控制其移动范围非常的有限，行程在10mm左右。
使用旋翼无人机搭载高光谱相机进行推扫成像的模式，不能够进行大面积、大幅度的采集测试；测试效率较低，时效性方面会有不足；在数据处理时，要考虑到数据重叠性等技术要求，处理效率慢；
利用无人机进行高光谱图像采集的方式中，使用固定翼飞行器挂载成像仪设备，将飞行器的飞行作为系统平移机构，由于高光谱成像都是推扫模式，每次成像都只是一条线的图像，所以当飞行器不能够保证足够的平稳，采集的图像就会发生变形，探测器上面每一个像元对应目标上的一个实体物体区域，图像采集不合理的话，完全依靠人工去进行图像修正是非常困难的，而且在相机采集的过程中扫描的速度(或者说是相机的帧速)也非常难把控。
实用新型内容
本实用新型的目的在于：提供一种具体涉及基于高光谱相机和面阵相机及POS系统的高光谱成像系统，解决了目前利用无人机进行高光谱图像采集时，扫描视场小和由于无人机飞行不稳定带来图像畸变的技术问题。
本实用新型采用的技术方案如下：
基于高光谱相机和面阵相机及POS系统的高光谱成像系统，包括采集目标一维影像数据的高光谱相机，所述高光谱相机连接处理器，所述高光谱相机一侧固定连接有采集目标二维影像数据的面阵相机，所述面阵相机拍摄的二维区域包括所述高光谱相机拍摄的线型区域，所述高光谱相机上还设置采集高光谱相机位置数据和姿态数据的POS系统，所述面阵相机和POS系统均与处理器连接。
进一步的，所述高光谱相机包括镜头A，所述镜头A连接成像光谱仪，靠近镜头A一侧的成像光谱仪上设置有光谱仪狭缝，所述成像光谱仪连接面阵探测器A。
进一步的，所述面阵相机包括镜头B，所述镜头B连接所述面阵探测器B。
进一步的，所述高光谱相机上还设置有检测太阳光强变化的光强监测模块，光强监测模块采集的数据传输至处理器。
进一步的，所述高光谱相机和面阵相机通过快装接口设置在增稳云台上，所述增稳云台通过减振器连接载体，所述载体连接固定翼无人机。
所述处理器将处理后的数据传输至地面控制器，所述地面控制器进行显示和处理。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
1.面阵相机和POS系统实现了对高光谱相机采集的图像进行几何校准和图像拼接，大算法与可靠性方面均已比较成熟，可大大提高几何修正的可靠性与准确性；光强监测模块记录太阳光强的变化，用于对数据进行校准；采集的图像质量高，即使图像发生畸变，修复更为容易，减少了后期图像和光谱拼接的工作量，降低了技术难度，在后期数据处理上也更为便捷。
2.本实用新型具备很强的实用性，取消了目前遥感测试系统中需要非常严格的稳控系统的设计和机构，搭载平台成本低，通过无线传输和远程控制即能实现对搭载平台的控制，控制简便，实现在地面上实时观察拍摄目标的区域、固定翼无人机的飞行姿态、采集的图像效果等。
3.在成像上，利用三轴增稳云台自身的稳定结构和POS系统，在结构上独特性的保证了飞行器的飞行状态，进而保证了成像的质量，避免由于固定翼无人机飞行不稳定和扫描结构中心发生偏移带来图像畸变。同时，利用高帧速、高分辨率面阵探测器可以实现快速和大面积的测试，采集图像的时间大大缩短。
3、无需非常专业的人员进行操作，只需能够对固定翼无人机飞行姿态进行控制即可，图像采集全部实现自动化和模块化，测试效率大大提高。
4、在数据输出方面，能够实时的对拍摄区域进行监控，实时获取地面目标的相关指数信息。
5、本实用新型非常适合进行远场拍摄，使用视场角更大的镜头，单次图像拍摄范围大。
6、POS系统采集的位置数据和姿态数据在利用处理器进行数据处理时实现几何纠正，姿态精度可达0.05°。
附图说明
本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本实用新型的整体结构图；
图2是本实用新型中高光谱成像部分内部结构的视图1；
图3是本实用新型中高光谱成像部分内部结构的视图2；
图4是本实用新型中高光谱成像部分内部结构的正视图；
图5是本实用新型中高光谱成像部分外部结构的示意图；
图6是本实用新型中高光谱成像部分的采集范围的示意图；
图7是本实用新型中高光谱成像部分的成像图像的示意图；
图8是本实用新型装机后的正视图；
图9是本实用新型装机后的示意图；
附图标记：1-镜头A，2-镜头B，3-面阵探测器B，4-POS系统，5-成像光谱仪，6-成像光谱仪固定件，7-面阵探测器A，8-处理器支架，9-处理器，10-光谱仪狭缝，11-增稳云台，110-航向框架，111-横滚框架，112-俯仰框架，12-支撑架，120-减振器，13-载体，14-固定翼无人机，15-外壳。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合附图对本实用新型作详细说明。
基于高光谱相机和面阵相机及POS系统的高光谱成像系统，包括高光谱相机，所述高光谱相机包括镜头A1，所述镜头A1连接成像光谱仪5，靠近镜头A1一侧的成像光谱仪5上设置有光谱仪狭缝10，所述成像光谱仪5连接面阵探测器A7；
所述高光谱学相机上设置有处理器9，所述高光谱相机的面阵探测器A7将采集的一维影像数据传输至所述处理器9进行处理，所述高光谱相机一侧固定连接有面阵相机，所述面阵相机包括镜头B2，所述镜头B2连接所述面阵探测器B3；
所述面阵相机的面阵探测器B3将采集的二维影像数据传输至所述处理器9进行处理，所述面阵相机拍摄的二维区域包括所述高光谱相机拍摄的线型区域，所述高光谱相机上还设置采集高光谱相机位置数据和姿态数据的POS系统4，所述POS系统4将所述位置数据和姿态数据传输至处理器9进行处理，所述处理器9控制高光谱相机、面阵相机和POS系统4进行同步数据采集。
所述高光谱相机上还设置有检测太阳光强变化的光强监测模块，光强监测模块采集的数据传输至处理器9。
所述高光谱相机和面阵相机通过快装接口设置在增稳云台上，所述增稳云台通过减振器连接载体13，所述载体13连接固定翼无人机14。
所述处理器9将处理后的数据传输至地面控制器，所述地面控制器进行显示和处理。具体实施例1
高光谱成像部分包括高光谱相机、面阵相机、POS系统4、处理器9和光强监测模块。
高光谱相机包括镜头A1，镜头A1连接成像光谱仪5，镜头A1与成像光谱仪5的主光轴重合，靠近镜头A1一侧的成像光谱仪5上设置有光谱仪狭缝10，成像光谱仪5通过成像成像光谱仪固定件6连接面阵探测器A7；入射光束进入镜头A1后，经过成像光谱仪5分光，将被测物体的像呈现在面阵探测器A7。
面阵相机包括镜头B2，镜头B2连接所述面阵探测器B3，入射光束进入镜头B2后，成像在面阵探测器B3上，所成的像为二维平面图像。
高光谱相机与面阵相机并排固定设置，镜头A1与镜头B2的镜面处于同一平面上，在固定翼无人机14飞行过程中，高光谱相机与面阵相机的相对位置不发生变化。
POS系统4安装在面阵相机B上方，用于采集高光谱相机的位置数据和姿态数据。
光强监测模块设置在高光谱相机上，用于检测太阳光强的变化，并将采集的数据发送至处理器9进行处理。
光谱仪固定件和面阵探测器上方设置有处理器支架8，处理器支架8上设置有处理器9，处理器9包括数据采集系统和NUC微处理器，处理器9控制高光谱相机、面阵相机和POS系统4进行同步拍摄，并将高光谱相机、面阵相机和POS系统4采集的数据进行处理。
高光谱相机、面阵相机、POS系统4、处理器9和光强监测模块除镜头A1和镜头B2外均设置在外壳15内部。
具体实施例2
高光谱成像系统包括固定翼无人机14、高光谱成像部分和地面控制器。
高光谱成像部分的外壳15通过快装接口设置在增稳云台11上，在外场可进行快速更换；由于固定翼无人机14存在各种频率的振动，尤其是发动机造成的高频振动会对数据采集的信噪比和后期的几何校正产生影响，集成增稳云台11可以有效滤除高频振动，并降低相机的姿态不稳定性，有效提高后期几何纠正的效果和图像质量；增稳云台11采用三轴主动隔离与三轴被动隔离结构，实现对载机角扰动和振动的衰减；三轴框架由内向外依次为航向框架110、横滚框架111和俯仰框架112，每个框架上均安装驱动电机和测角编码器。其中，俯仰框架112和横滚框架111组成常平万向架，其上安装有陀螺仪和倾角仪，能够保证光谱仪在载体13姿态变化过程中，始终垂直地面。航向框架110上安装有陀螺仪，用于克服载体13在航向上的扰动，并随动于飞行航线。
增稳云台11下方设置有支撑架12，所述支撑架12的四角设置四个高阻尼的减振器120，减振器120连接在长方体的载体13上，载体13设置在固定翼无人机14上。
高光谱成像部分的处理器9将处理结果通过固定翼无人机14数据链路实时下传到地面控制器，地面控制器对结果进行显示及后续处理。
具体实施例3
利用处理器对处理高光谱相机、面阵相机、POS系统采集的数据进行处理的主要步骤如下：
步骤1：利用光强监控模块采集的数据对高光谱相机采集的数据进行辐射修正；
步骤2：利用POS系统和面阵相机采集的数据对步骤1修正后的数据进行几何修正；
步骤3：利用高光谱相机拍摄目标的背景数据和拍摄标定板的白帧数据来对步骤2修正后的数据进行反射率校正；
步骤4：将步骤3获取的拍摄目标的反射率光谱数据与标准数据库中的数据进行光谱分析比对、匹配等处理后，输出分析结果。
Claims (6)
1.基于高光谱相机和面阵相机及POS系统的高光谱成像系统，包括采集目标一维影像数据的高光谱相机，所述高光谱相机连接处理器(9)，其特征在于：所述高光谱相机一侧固定连接有采集目标二维影像数据的面阵相机，所述面阵相机拍摄的二维区域包括所述高光谱相机拍摄的线型区域，所述高光谱相机上还设置采集高光谱相机位置数据和姿态数据的POS系统(4)，所述面阵相机和POS系统(4)均与处理器(9)连接。
2.根据权利要求1所述的基于高光谱相机和面阵相机及POS系统的高光谱成像系统，其特征在于：所述高光谱相机包括镜头A(1)，所述镜头A(1)连接成像光谱仪(5)，靠近镜头A(1)一侧的成像光谱仪(5)上设置有光谱仪狭缝(10)，所述成像光谱仪(5)连接面阵探测器A(7)。
3.根据权利要求1所述的基于高光谱相机和面阵相机及POS系统的高光谱成像系统，其特征在于：所述面阵相机包括镜头B(2)，所述镜头B(2)连接面阵探测器B(3)。
4.根据权利要求1所述的基于高光谱相机和面阵相机及POS系统的高光谱成像系统，其特征在于：所述高光谱相机上还设置有检测太阳光强变化的光强监测模块，光强监测模块采集的数据传输至处理器(9)。
5.根据权利要求1所述的基于高光谱相机和面阵相机及POS系统的高光谱成像系统，其特征在于：所述高光谱相机和面阵相机通过快装接口设置在增稳云台(11)上，所述增稳云台(11)通过减振器(120)连接载体(13)，所述载体(13)连接固定翼无人机(14)。
6.根据权利要求1所述的基于高光谱相机和面阵相机及POS系统的高光谱成像系统，其特征在于：所述处理器(9)将处理后的数据传输至地面控制器，所述地面控制器进行显示和处理。
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