CN213274577U - 一种基于微扫描器的高光谱成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于微扫描器的高光谱成像装置，属于航空遥感技术领域，解决了现有的图像分辨率不具备超分辨能力和载机姿态突变引起的图像变形或畸变的问题，其技术要点是：包括装置本体，通过在穿轨方向的1+1微扫描，使对目标的实际采样数量提高了1倍，最终成像分辨率可达到探测器空间维像素数的2倍，实现了超分辨功能，光谱维度数量不变，通过在推扫方向的实时补偿微扫描，当载机因外界干扰引起姿态突变，导致光轴偏移θ角时，利用微扫描器的位移，反向补偿θ角，从而使测量图像具有连续性，减少图像变形或畸变，具有实现了超分辨功能，使测量图像具有连续性，减少图像变形或畸变的优点。

Description

一种基于微扫描器的高光谱成像装置

技术领域

本实用新型涉及航空遥感领域，具体是涉及一种基于微扫描器的高光谱成像装置。

背景技术

本实用新型主要应用于航空遥感领域，例如地质学、海洋监测、农作物分类、大气探测、生态环境、国土资源、城市遥感和目标识别与分类等等。

发明专利CN107121192A描述了一种镜头扫描模式高光谱成像系统及旋翼无人机。该专利利用旋翼无人机搭载高光谱成像仪，悬停在目标上空，进行高光谱采集。其中，高光谱成像仪的镜头能够相对于狭缝平面进行平行位移，对应使地面上不同的狭长区域成像在探测器平面上，从而对整个场景进行高光谱成像。该方法主要是为了避免转镜扫描引起的图像非线性畸变问题。该方法属于内置推扫方法的一种，将固定翼飞机推扫成像的过程改为了系统内部推扫。

学位论文《红外凝视系统中的微扫描技术》描述了微扫描的技术原理，推导出了利用微扫描技术改善图像质量的可能性，微扫描利用了同一景象的序列图像之间不同却相互补充的信息，可以更好的重建原始图像，提高图像分辨率，解决空间欠抽样问题。

实用新型CN205785517U描述了具有偏角修正的内置扫描高光谱成像装置。该专利利用旋转结构，在内置扫描过程中使狭缝及后续光路的光轴始终对准当前视场的主光线，从而获得全效率的能量接收，克服平移式扫描镜头最大亮度余弦衰减的缺陷，使采集到的图像亮度均匀，意即对偏角的光强进行了修正。

上述发明专利和实用新型专利所涉及的高光谱成像仪均采用了镜头扫描模式，但其目的并非为了提高图像分辨率，而是为了解决图像非线性或均匀性问题，所成图像分辨率仍然受限于传感器分辨率，不具备超分辨能力；上述文献所涉及的红外凝视系统能够利用微扫描技术实现超分辨，但其成像为全色图像，并非高光谱图像，缺少光谱维度信息。而且凝视成像方式相对于推扫成像方式，不适合对广阔区域进行遥感探测，因为其涉及到大量的图像拼接计算。

因此，需要提供一种基于微扫描器的高光谱成像装置，旨在解决上述问题。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型实施例的目的在于提供一种基于微扫描器的高光谱成像装置，以解决上述背景技术中的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种基于微扫描器的高光谱成像装置，包括装置本体，所述装置本体固定安装于运动载体上，所述装置本体包括成像镜头和微扫描器，所述成像镜头固定安装于微扫描器上，所述微扫描器的上方设置有成像组件，所述成像组件包括狭缝、准直镜组、分光器件、聚焦镜组和探测器。

作为本实用新型进一步的方案，所述成像镜头固定安装于微扫描器的中部，所述微扫描器通过电线连接有控制器，所述控制器的输出端电性连接微扫描器的输入端。

作为本实用新型进一步的方案，所述成像镜头的上方设置有用于限制成像现场范围的狭缝，所述狭缝上设置有用于成像外部景物经过成像镜头发出的光。

作为本实用新型进一步的方案，所述狭缝的上方设置有用于将光线准直的准直镜组，所述准直镜组的上方设置有便于将不同波长的光沿光谱维方向进行分开的分光器件。

作为本实用新型进一步的方案，所述分光器件的上方设置有便于将不同波长的光进行成像的聚焦镜组，所述聚焦镜组的上方设置有便于实现高光谱成像的探测器。

综上所述，本实用新型实施例与现有技术相比具有以下有益效果：

1、通过在穿轨方向的1+1微扫描，使对目标的实际采样数量提高了1倍，最终成像分辨率可达到探测器空间维像素数的2倍，实现了超分辨功能，光谱维度数量不变。

2、通过在推扫方向的实时补偿微扫描，当载机因外界干扰引起姿态突变，导致光轴偏移θ角时，利用微扫描器的位移，反向补偿θ角，从而使测量图像具有连续性，减少图像变形或畸变。

为更清楚地阐述本实用新型的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本实用新型进行详细说明。

附图说明

图1为实用新型实施例的结构示意图。

图2为实用新型实施例中成像平移的状态示意图。

图3为实用新型实施例中第一次采样的结果示意图。

图4为实用新型实施例中第二次采样的结果示意图。

图5为实用新型实施例中采样结果的拼接示意图。

图6为实用新型实施例中正常飞行成像状态的成像镜头、微扫描器和狭缝关系示意图。

图7为实用新型实施例中抖动导致系统光轴偏斜示意图。

图8为实用新型实施例中利用微扫描器进行光轴位移补偿示意图。

附图标记：1-成像镜头、2-微扫描器、3-狭缝、4-准直镜组、5-分光器件、6-聚焦镜组、7-探测器、8-控制器、9-装置本体、p-0.5像素间隔、m-空间维、n-光谱维、f-成像镜头光轴指向与位置。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

以下结合具体实施例对本实用新型的具体实现进行详细描述。

实施例1

参见图1～图8，一种基于微扫描器的高光谱成像装置，包括装置本体9，所述装置本体9固定安装于运动载体上，所述装置本体9包括成像镜头1和微扫描器2，所述成像镜头1固定安装于微扫描器2上，所述微扫描器2的上方设置有成像组件，所述成像组件包括狭缝3、准直镜组4、分光器件5、聚焦镜组6和探测器7。

在本实施例中，所述m指代空间维，n指代光谱维。

如图1所示，微扫描器2接受控制器8的指令，可带动成像镜头1在垂直于光轴的平面移动。

外部景物发出的光经过成像镜头1成像在狭缝3处，狭缝3用于限制成像视场范围为一个窄条带，光线经过狭缝3后被准直镜组4准直，再经过分光器件5，不同波长的光沿光谱维n分开，经聚焦镜组6成像到探测器7上，不同波长的光聚焦在探测器7光谱维n方向的不同像素单元上，实现高光谱成像。不同视场的光聚焦在探测器7空间维m方向的不同像素单元上，实现一个维度的空间分辨。探测器7一次曝光可得到一维光谱信息和一维空间信息。整个装置安装在飞机或其他运动载体上，运动载体沿光谱维n方向以一定速度移动，实现推扫过程，获取另一维度的空间信息，从而最终得到二维平面信息和一维光谱信息。

实施例2

请参阅图1～图8，一种基于微扫描器的高光谱成像装置，包括装置本体9，所述装置本体9固定安装于运动载体上，所述装置本体9包括成像镜头1和微扫描器2，所述成像镜头1固定安装于微扫描器2上，所述微扫描器2的上方设置有成像组件，所述成像组件包括狭缝3、准直镜组4、分光器件5、聚焦镜组6和探测器7。

在本实施例中，所述m指代空间维，n指代光谱维。

在上一步的第一次探测器7曝光之后，控制器8发出指令使微扫描器2带动成像镜头1沿空间维m方向平移，平移位移量与光学系统参数有关，最终效果为上一步相同景物所成的像在探测器7空间维m方向平移了0.5个像素，如图2所示。此时，上一步中景物所成的像平移到了探测器7像素单元之间的间隙处而被丢失，而在上一步成像中丢失的景物信息将成像到探测器7像素单元的中心，从而在探测器7第二次曝光过程中被采样。采样结束后，控制器8发出指令使微扫描器2带动成像镜头1回到第一步所处位置，准备下一轮采样，所述装置本体9在推扫成像过程中不断重复第一步与第二步。

实施例3

请参阅图1～图8，一种基于微扫描器的高光谱成像装置，包括装置本体9，所述装置本体9固定安装于运动载体上，所述装置本体9包括成像镜头1和微扫描器2，所述成像镜头1固定安装于微扫描器2上，所述微扫描器2的上方设置有成像组件，所述成像组件包括狭缝3、准直镜组4、分光器件5、聚焦镜组6和探测器7。

在本实施例中，所述p指代0.5像素间隔，m指代空间维，n指代光谱维，f指代成像镜头光轴指向与位置。

对于每一个波长的二维空间图像，第一次采样和第二次采样的结果如图3和图4所示。其中1.NM表示微扫描器2在第1个位置时第N次曝光图像中空间维m的第M个像素响应值。拼接方法如图5所示。两幅图像交叉拼接，第二幅图像应与第一幅图具有亚像素级错位。

此外，当移动平台因外界干扰例如大气对流等原因发生微小抖动，导致光轴发生偏斜时，控制器8可接收运动平台姿态测量单元的姿态测量信息，得到需补偿的角度θ，并控制微扫描器2带动成像镜头1，使成像中心点反向运动θ角，从而补偿运动干扰，减少图像变形或畸变，如图6～图8所示。设狭缝3与镜头1的距离为d，则微扫描器2应反向运动的位移量为d*tanθ，从而完成补偿。

实施例4

请参阅图1～图8，一种基于微扫描器的高光谱成像装置，包括装置本体9，所述装置本体9固定安装于运动载体上，所述装置本体9包括成像镜头1和微扫描器2，所述成像镜头1固定安装于微扫描器2上，所述微扫描器2的上方设置有成像组件，所述成像组件包括狭缝3、准直镜组4、分光器件5、聚焦镜组6和探测器7。

在本实施例中，所述p指代0.5像素间隔，m指代空间维，n指代光谱维，f指代成像镜头光轴指向与位置。

使用一维振镜或二维振镜替代微扫描器2，镜头1固定不动，一维振镜或二维振镜放置于镜头1之前或之后均可。如采用一维振镜，可沿空间维m方向进行微动扫描，从而完成超分辨功能；如采用二维振镜，可沿空间维m和光谱维n方向进行微动扫描，从而完成超分辨功能和角度补偿功能。

实施例5

请参阅图1～图8，一种基于微扫描器的高光谱成像装置，包括装置本体9，所述装置本体9固定安装于运动载体上，所述装置本体9包括成像镜头1和微扫描器2，所述成像镜头1固定安装于微扫描器2上，所述微扫描器2的上方设置有成像组件，所述成像组件包括狭缝3、准直镜组4、分光器件5、聚焦镜组6和探测器7。

在本实施例中，所述p指代0.5像素间隔，m指代空间维，n指代光谱维，f指代成像镜头光轴指向与位置。

本实施例的目标是利用一个320×256分辨率的红外探测器7和微扫描器2，实现穿轨方向640分辨率、256个光谱通道的推扫成像装置。

实施方式如下：首先假定运动平台为飞机，飞行速度为50m/s，飞行高度为1000m，红外探测器7分辨率为320×256，像元尺寸为15μm，像元间距为30μm，曝光速度为50Hz，光学系统视场角为18.18°，工作光谱波长范围为3μm-5μm。

由以上假设可将红外探测器7的320像素方向作为空间维m，256像素方向作为光谱维n，并计算得到：

系统光谱通道间隔为：(5000nm-3000nm)/256＝7.8125nm；

每个通道的光谱带宽为：7.8125nm*15μm/30μm＝3.90625nm；

地面线视场范围为：tan(18.18°/2)*1000m*2＝320m；

超分辨之前地面分辨率为：320m/320＝1m；

设计狭缝3成像到红外探测器7为1:1等倍放大关系，即准直镜组4和聚焦镜组6焦距相同，则狭缝3长度为：320×30μm＝9.6mm；狭缝3宽度选择为15μm；

结合视场角可计算出成像镜头1的焦距应选择为：(9.6mm/2)/tan(18.18°/2)＝30mm；

本实施例中分光元件选择为光栅，光栅线对数为100line/mm，即光栅常数为0.01mm，选择使用第1级衍射级次，代入光栅方程mλ＝d(sini+sinθ)，其中m为衍射级次等于1，λ为波长，d为光栅常数0.01mm，i为入射角设为0，θ为对应波长的衍射角，可分别计算出3μm波长对应的衍射角为17.4576°，5μm波长对应的衍射角为30°，两者相差12.5424°，对应分布在红外探测器7光谱维n的两端，而红外探测器7光谱维n的总长度为256×30μm＝7.68mm，由此可以计算出聚焦镜组6的焦距为：(7.68mm/2)/tan(12.5424°/2)＝34.9433mm。

至此，光学器件的主要参数均已确定。微扫描器2的行程范围选择为±1mm。

首先按照前述方案进行第一步成像，然后按照前述方案第二步成像，其中微扫描器2的平移量计算方法为：红外探测器7上的像应移动半个像素间隔即30μm/2＝15μm；狭缝3到红外探测器7的放大倍数为1:1，因此狭缝3处的像应移动15μm/(1:1)＝15μm；故而成像镜头1的光轴也应移动15μm；即微扫描器2的平移量为15μm。需要注意的是，在本实施例中狭缝3成像到红外探测器7为1:1等倍放大关系，如若在其他实现形式中放大倍数不为1:1，例如0.5:1，则狭缝3处的像应移动15μm/(0.5:1)＝30μm，成像镜头1的光轴、微扫描器2的平移量也均为30μm。完成第二步成像后，微扫描器2返回第一步的位置，开始下一轮推扫成像。

在第三步的图像拼接过程中，需要计算两幅图像拼接时的错位像素数。由于曝光速度为50Hz，说明系统每次微扫描和曝光的间隔时间为20ms，即第一步和第二步两次探测器7曝光的时间差为20ms，在此期间，飞机飞行的位移量为50m/s×20ms＝1m，即第二幅图相比第一幅图在推扫方向滞后了1m距离。而第一幅图的第1.11和1.21像素之间相差为2×20ms＝40ms，即推扫方向采样点间距为50m/s×40ms＝2m。因此第二幅图在拼接时的亚像素位移量为1m/2m＝0.5像素。图像亚像素位移拼接可采用插值法等常用图像处理方法，属于该领域专业人员公知的技术，在此不再详述。拼接完成的图像在空间维上达到320×2＝640像素，实现了超分辨。光谱维n上仍为256通道。

假定因外界气流不稳定导致载机发生倾斜，倾斜角度为1°，倾斜绕轴为穿轨方向，即推扫方向的采样连续性即将受到影响。控制器8接收到载机姿态测量单元的姿态测量信息，获知倾斜角度为1°，结合实施例中成像镜头1到狭缝3的距离即其焦距30mm，则微扫描器2需要补偿的位移量为30mm*tan1°＝0.5237mm。位移方向与倾斜造成的成像区域移动方向相反。

需要特别说明的是，本申请中部件均为通用标准件或本领域技术人员通晓的部件，将成像镜头1、微扫描器2和成像组件的设计结合应用到一种基于微扫描器的高光谱成像装置为本申请的创新点，其有效解决了现有的图像分辨率不具备超分辨能力和载机姿态突变引起的图像变形或畸变的问题。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于微扫描器的高光谱成像装置，包括装置本体(9)，其特征在于，所述装置本体(9)固定安装于运动载体上，所述装置本体(9)包括成像镜头(1)和微扫描器(2)，所述成像镜头(1)固定安装于微扫描器(2)上，所述微扫描器(2)的上方设置有成像组件，所述成像组件包括狭缝(3)、准直镜组(4)、分光器件(5)、聚焦镜组(6)和探测器(7)。

2.根据权利要求1所述的基于微扫描器的高光谱成像装置，其特征在于，所述成像镜头(1)固定安装于微扫描器(2)的中部，所述微扫描器(2)通过电线连接有控制器(8)，所述控制器(8)的输出端电性连接微扫描器(2)的输入端。

3.根据权利要求1所述的基于微扫描器的高光谱成像装置，其特征在于，所述成像镜头(1)的上方设置有用于限制成像现场范围的狭缝(3)，所述狭缝(3)上设置有用于成像外部景物经过成像镜头(1)发出的光。

4.根据权利要求3所述的基于微扫描器的高光谱成像装置，其特征在于，所述狭缝(3)的上方设置有用于将光线准直的准直镜组(4)，所述准直镜组(4)的上方设置有便于将不同波长的光沿光谱维方向进行分开的分光器件(5)。

5.根据权利要求4所述的基于微扫描器的高光谱成像装置，其特征在于，所述分光器件(5)的上方设置有便于将不同波长的光进行成像的聚焦镜组(6)，所述聚焦镜组(6)的上方设置有便于实现高光谱成像的探测器(7)。

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