專利名稱：一種適用于野外遙感的便攜式地面高光譜成像光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于野外遙感的便攜式地面高光語(yǔ)成像光譜儀，適用 于野外作業(yè)時(shí)，地面對(duì)地的高光語(yǔ)遙感探測(cè),屬于高光鐠成像探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，用于野外地面高光譜測(cè)量的成像儀大多為非成像型，分光元件以
光柵為主，釆用單點(diǎn)測(cè)量方式，比較著名的是美國(guó)分析光譜設(shè)備(ASD)公 司的FieldSpec系列便攜式高光譜光纖光語(yǔ)儀，而傳統(tǒng)的成像光譜儀大多采 用推掃式或者擺掃式工作方式，分光原理主要為棱鏡、光柵分光或者干涉分 光型，這些分光原理的光譜儀需要運(yùn)動(dòng)部件，體積、功耗較大，不適合輕便、 低功耗、便攜的地面對(duì)地野外高光譜成像探測(cè)。不同于傳統(tǒng)的推掃式和擺掃 式光語(yǔ)成像系統(tǒng)，AOTF (聲光可調(diào)諧濾波器)光譜分光沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，波 長(zhǎng)切換時(shí)間短，波長(zhǎng)的選擇采用電控，屬于輕量化、低功耗的成像高光譜分 光元件，非常適合用于野外地面光譜測(cè)量。非成像方式的AOTF光譜系統(tǒng) 在生物、醫(yī)療等領(lǐng)域已經(jīng)有了較為成熟的應(yīng)用，用于特定光譜的定性分析和 檢測(cè)?；贏OTF的光譜成像系統(tǒng)已有用于近距離光譜測(cè)量的實(shí)例，由于 光強(qiáng)的透過(guò)率很大程度上受AOTF衍射效率的制約，加上圖像傳感器在不 同波長(zhǎng)范圍的量子效率的不同，造成不同波段的光譜響應(yīng)存在較大的不一 致，在光鐠分辨率較高的情況下影響尤為明顯，當(dāng)用于野外遙感測(cè)量時(shí)，由 于受到外部環(huán)境的制約，在很大程度上影響數(shù)據(jù)的信噪比和動(dòng)態(tài)范圍，給后 續(xù)的應(yīng)用處理帶來(lái)了較大的難度。結(jié)合AOTF本身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)適合地面對(duì) 地野外高光語(yǔ)成像遙感探測(cè)的便攜式儀器，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于野外遙感探測(cè)的便攜式地面高光語(yǔ)成像光鐠儀，該儀器具有輕量化、操作簡(jiǎn)便、 便攜性好的特點(diǎn)，特有的優(yōu)化積分時(shí)間方法和拍攝模式的分類，有效的補(bǔ)償 了儀器光語(yǔ)響應(yīng)的不一致。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是 一種適用于野外遙感探測(cè)的便攜式地面高光 語(yǔ)成像光語(yǔ)儀，其特征在于包括下列部分包括定焦鏡頭、聲光可調(diào)諧濾波 器(Acousto-optic Tunable Filter, AOTF)成像模塊、圖像采集模塊、電源 模塊、三腳架，
定焦鏡頭，用于遠(yuǎn)距離目標(biāo)聚焦，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)F接口與AOTF成像模塊 連接；
AOTF成像模塊，包括AOTF成像單元和AOTF驅(qū)動(dòng)電路，AOTF驅(qū)動(dòng) 電路輸出頻率可調(diào)的功率信號(hào)通過(guò)SMA射頻接口驅(qū)動(dòng)AOTF成像單元，控 制AOTF的分光波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的可編程控制，控制信號(hào)由便攜式計(jì)算機(jī) 通過(guò)USB總線提供，AOTF成像單元由AOTF和用于光學(xué)成像的前置和后 置光學(xué)系統(tǒng)組成，在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下進(jìn)行光語(yǔ)分光；
圖像采集模塊，包括面陣圖像傳感器和便攜式計(jì)算機(jī)，面陣圖像傳感器 按照優(yōu)化好的積分時(shí)間進(jìn)行圖像獲取，并通過(guò)IEEE1394總線將圖像數(shù)據(jù)傳 輸至便攜式計(jì)算機(jī)，便攜式計(jì)算機(jī)根據(jù)所選的拍攝模式，采用優(yōu)化積分時(shí)間 的方法對(duì)各個(gè)波段的拍攝時(shí)間進(jìn)行控制，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；
電源模塊，由蓄電池組和多路穩(wěn)壓電路組成，與AOTF驅(qū)動(dòng)電路和面 陣圖像傳感器相連，為其提供所需的直流工作電壓；
三腳架用來(lái)放置和固定AOTF成像模塊和圖像采集模塊中的面陣圖像 傳感器，同時(shí)用于儀器高度和姿態(tài)的調(diào)整。
本發(fā)明的原理是根據(jù)拍攝場(chǎng)景的拍攝距離和視場(chǎng)范圍，選擇合適焦距 的鏡頭，利用便攜式計(jì)算機(jī)運(yùn)行儀器系統(tǒng)軟件對(duì)整個(gè)采集過(guò)程進(jìn)行初始化， 設(shè)置相關(guān)控制參數(shù)，包括面陣圖像傳感器的增益、偏置、量化位數(shù)、采集波 段列表、顯示和存儲(chǔ)方式等；然后利用優(yōu)化積分時(shí)間的方法計(jì)算出各波段所需的積分時(shí)間的最優(yōu)值；便攜式計(jì)算機(jī)運(yùn)行儀器系統(tǒng)軟件選擇合適的拍攝模 式，通過(guò)USB總線控制AOTF驅(qū)動(dòng)電路對(duì)AOTF進(jìn)行波長(zhǎng)選擇，AOTF驅(qū) 動(dòng)電路根據(jù)相應(yīng)的控制字通過(guò)SMA接口發(fā)送相應(yīng)頻率的驅(qū)動(dòng)信號(hào)至 AOTF,當(dāng)收到AOTF驅(qū)動(dòng)電路反饋的"波長(zhǎng)選擇完成"信號(hào)后，通過(guò) lEEE1394總線控制面陣圖像傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集后的數(shù)據(jù)通過(guò) IEEE1394總線傳輸至便攜式計(jì)算機(jī)；成像光諳數(shù)據(jù)伴隨著儀器工作的采集 參數(shù)記錄和工作日志文件存儲(chǔ)在便攜式計(jì)算機(jī)硬盤上。
其中，所述的圖像采集模塊采用優(yōu)化積分時(shí)間的方法對(duì)不同波段的積分 時(shí)間分別進(jìn)行優(yōu)化控制，根據(jù)實(shí)際拍攝場(chǎng)景，現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化積分時(shí)間，得到各個(gè) 波段所需的最佳積分時(shí)間。
其中，根據(jù)拍攝環(huán)境和拍攝地物的差異，設(shè)置不同的拍攝模式，利用優(yōu) 化積分時(shí)間的方法得到不同模式下各波段所需的最佳積分時(shí)間，并將不同的 拍攝模式對(duì)應(yīng)的最佳積分時(shí)間以查找表的形式固化在儀器的系統(tǒng)軟件中，實(shí) 際野外作業(yè)時(shí)，選擇合適的拍攝模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
其中，儀器的光學(xué)系統(tǒng)釆用固定焦距的方式，配備多個(gè)不同焦距的定焦 鏡頭，根據(jù)拍攝距離的差異，選取安裝不同焦距的定焦鏡頭，鏡頭的物距固 定在無(wú)窮遠(yuǎn)處。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于
(1 )釆用優(yōu)化積分時(shí)間方法通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量得到各個(gè)波段所需的 最佳積分時(shí)間，從而補(bǔ)償由于AOTF衍射效率、圖像傳感器量子效率等因 素造成的系統(tǒng)光譜響應(yīng)的不一致，提高數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范圍和數(shù)據(jù)處理的精度。
(2) 根據(jù)野外拍攝環(huán)境和拍攝地物的差異，設(shè)置不同的拍攝模式，并 將不同的拍攝模式對(duì)應(yīng)的最佳積分時(shí)間以查找表的形式固化在儀器的系統(tǒng) 軟件中，從而避免了每次數(shù)據(jù)采集時(shí)對(duì)積分時(shí)間的重新優(yōu)化，減小了儀器現(xiàn) 場(chǎng)操作的復(fù)雜性。
(3) 光學(xué)系統(tǒng)采用固定焦距的方式，配備多個(gè)不同焦距的定焦鏡頭，根據(jù)拍攝距離的差異，選取安裝不同焦距的望遠(yuǎn)鏡頭，鏡頭的物距固定在無(wú) 窮遠(yuǎn)處，增強(qiáng)儀器操作的筒便性。
(4)面陣圖像傳感器通過(guò)IEEE1394總線與便攜式計(jì)算機(jī)連接，無(wú)需 專門的圖像采集卡，AOTF驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)USB總線與便攜式計(jì)算機(jī)連接。 儀器的放置與固定采用三腳架裝置，所述特征使得儀器具有輕量化、便攜性 好的特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成框圖2為本發(fā)明的優(yōu)化積分時(shí)間算法流程圖3為本發(fā)明的工作流程圖；
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括定焦鏡頭1、 AOTF成像模塊2、圖像采集模 塊5、電源模塊8，三腳架11，其中，定焦鏡頭用于遠(yuǎn)距離聚焦成像，通過(guò) 標(biāo)準(zhǔn)F接口與AOTF成像模塊連接；AOTF成像模塊2由AOTF成像單元 3和AOTF驅(qū)動(dòng)電路4組成，AOTF驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)SMA射頻接口輸出頻率 可調(diào)的功率信號(hào)驅(qū)動(dòng)AOTF成像單元中AOTF的壓電換能器，控制AOTF 的分光波長(zhǎng)，AOTF成像單元3由AOTF和用于光學(xué)成像的前置和后置光 學(xué)系統(tǒng)組成，在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下進(jìn)行光譜分光；圖像釆集模塊5包括面陣 圖像傳感器6和便攜式計(jì)算機(jī)7，面陣圖像傳感器6進(jìn)行圖像荻取，并通過(guò) lEEE1394總線將圖像數(shù)據(jù)傳輸至便攜式計(jì)算機(jī)，便攜式計(jì)算機(jī)7根據(jù)所選 的拍攝模式，采用優(yōu)化積分時(shí)間的方法對(duì)各個(gè)波段的拍攝時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)并控 制儀器進(jìn)行成像光譜數(shù)據(jù)采集；電源模塊8包括蓄電池組9和多路穩(wěn)壓電 路10，多路穩(wěn)壓電路10—端與蓄電池組9的輸出端連接，另一端分別與 AOTF驅(qū)動(dòng)電路4和面陣圖像傳感器6的電源輸入端連接，對(duì)蓄電池組的輸 出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓；三腳架11用來(lái)放置和固定定焦鏡頭1、 AOTF成像模塊2 和圖像采集模塊5中的面陣圖像傳感器6,同時(shí)用于儀器高度和姿態(tài)的調(diào)整。如圖2所示，本發(fā)明的圖像采集模塊中優(yōu)化積分時(shí)間的算法是基于圖像 傳感器的線性響應(yīng)模型設(shè)計(jì)的?；驹砣缦率紫葘?duì)圖像傳感器的線性度 進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定后的圖像傳感器滿足在相同條件下，積分時(shí)間和圖像灰度值 (DN)成正比，建立圖像灰度值與積分時(shí)間之間的線性響應(yīng)關(guān)系，線形模 型表示為
<formula>formula see original document page 8</formula>其中，"W為灰度值，^為積分時(shí)間，尺為比例系數(shù)，"C為暗電流， 為暗電流偏置。由于AOTF中存在雜散光，雜散光沒(méi)有經(jīng)過(guò)AOTF濾波， 并不隨著衍射效率的變化而變化，因此需要把雜散光的影響加入線性響應(yīng) 中，雜散光引起的圖像灰度值的變化也跟積分時(shí)間成正比，表示為<formula>formula see original document page 8</formula>(5)式為最終的響應(yīng)模型。其中，為雜散光和暗電流噪聲，"A^為
雜散光帶來(lái)的^W值，^為雜散光比例系數(shù)，^x:為暗電流比例系數(shù)。
根據(jù)響應(yīng)關(guān)系，具體的實(shí)現(xiàn)方法為在視場(chǎng)內(nèi)放置漫反射板，使漫反射
板中心與視場(chǎng)中心重合。在未加栽射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)的情況下，選擇一組積分時(shí) 間"作為樣本，拍攝多幅圖像，分別求取平均灰度值"w"。加，用最小二乘直
線擬合的方法擬合出公式(4)中雜散光的比例系數(shù)、+^和^^'的值。然 后在加載射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)的情況下，選擇一個(gè)波長(zhǎng)通道，把公式(4)中得到的和4*的值帶入公式(5 )中，通過(guò)設(shè)置一定的積分時(shí)間"得到相
應(yīng)的平均灰度值"w，計(jì)算加權(quán)平均，得到公式(5)中的系數(shù)K。從而得到 公式(5)中該波長(zhǎng)通道的亮度線性響應(yīng)模型。轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)通道，計(jì)算相應(yīng)的 線性響應(yīng)比例系數(shù)，得到所需的不同波長(zhǎng)下的亮度線性響應(yīng)模型。
然后根據(jù)圖像傳感器的線性度確定最佳的亮度動(dòng)態(tài)范圍DW ,根據(jù)公式
(5)確定的響應(yīng)模型，計(jì)算出最優(yōu)的積分時(shí)間^p。不同波長(zhǎng)通道下的最優(yōu) 積分時(shí)間均采用上述方法得到。便攜式計(jì)算機(jī)根據(jù)優(yōu)化后的各波段積分時(shí)間 分別再對(duì)各波段進(jìn)行采集控制。
如圖2和圖3所示，本發(fā)明的工作流程主要分為兩部分拍攝模式參數(shù) 的設(shè)定和實(shí)際場(chǎng)景的數(shù)據(jù)采集。拍攝模式參數(shù)的設(shè)定方法是依據(jù)外界環(huán)境 和拍攝地物的不同，細(xì)化拍攝模式的分類，并利用優(yōu)化積分時(shí)間的算法得到 每種拍攝模式下各波段最優(yōu)的積分時(shí)間，并以此作為不同拍攝模式下積分時(shí) 間的選擇依據(jù)。實(shí)際場(chǎng)景數(shù)據(jù)采集的具體工作流程為首先根據(jù)大致的拍攝 距離選擇合適焦距的定焦鏡頭，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的F 口與AOTF成像模塊連接； 進(jìn)行儀器初始化，包括選擇采集模式，調(diào)整儀器通光孔徑、面陣圖像傳感 器增益和偏置、量化位數(shù)、合并模式等，選擇波段采集范圍，加載波長(zhǎng)選擇 列表；然后開啟AOTF驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)便攜式計(jì)算機(jī)的USB總線向AOTF 驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送波長(zhǎng)選擇的控制字；便攜式計(jì)算機(jī)按照所選拍攝模式下的各波 段積分時(shí)間通過(guò)IEEE1394總線控制面陣圖像傳感器進(jìn)行圖像采集，采集后 的圖像通過(guò)IEEE 1394總線傳輸?shù)奖銛y式計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)的BSQ高光 譜數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)在便攜式計(jì)算機(jī)的磁盤上；圖像數(shù)據(jù)傳輸完成后，便攜式計(jì) 算機(jī)繼續(xù)向AOTF驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送下一個(gè)波長(zhǎng)選擇的控制字，開始另一個(gè)波 段數(shù)字采集的循環(huán)，直至所有波段的數(shù)據(jù)采集完畢；在光譜數(shù)據(jù)采集的同時(shí)， 儀器采集時(shí)的各部件狀態(tài)信息以工作日志的形式記錄下來(lái)。
權(quán)利要求
1、一種適用于野外遙感的便攜式地面高光譜成像光譜儀，其特征在于包括定焦鏡頭(1)、聲光可調(diào)諧濾波器成像模塊(2)、圖像采集模塊(5)、電源模塊(8)、三腳架(11)；定焦鏡頭用于遠(yuǎn)距離目標(biāo)聚焦成像，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)F接口與聲光可調(diào)諧濾波器成像模塊連接；聲光可調(diào)諧濾波器成像模塊(2)包括聲光可調(diào)諧濾波器成像單元(3)和聲光可調(diào)諧濾波器驅(qū)動(dòng)電路(4)，聲光可調(diào)諧濾波器驅(qū)動(dòng)電路輸出頻率可調(diào)的功率信號(hào)通過(guò)SMA射頻接口驅(qū)動(dòng)聲光可調(diào)諧濾波器成像單元，控制分光波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的可編程控制，聲光可調(diào)諧濾波器成像單元(3)由聲光可調(diào)諧濾波器和用于光學(xué)成像的前置和后置光學(xué)系統(tǒng)組成，在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下進(jìn)行光譜分光；圖像采集模塊(5)包括面陣圖像傳感器(6)和便攜式計(jì)算機(jī)(7)，面陣圖像傳感器(6)按照優(yōu)化好的積分時(shí)間進(jìn)行圖像獲取，并通過(guò)IEE1394總線將圖像數(shù)據(jù)傳輸至便攜式計(jì)算機(jī)，便攜式計(jì)算機(jī)(7)采用優(yōu)化積分時(shí)間的方法對(duì)各個(gè)波段的拍攝時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，并控制儀器進(jìn)行成像光譜數(shù)據(jù)采集，處理后的原始光譜數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)的BSQ高光譜數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)在便攜式計(jì)算機(jī)(7)硬盤上；電源模塊(8)包括蓄電池組(9)和多路穩(wěn)壓電路(10)，蓄電池組(9)為聲光可調(diào)諧濾波器驅(qū)動(dòng)電路(4)和面陣圖像傳感器(6)供電，多路穩(wěn)壓器(10)一端與蓄電池組(9)的輸出端連接，另一端分別與聲光可調(diào)諧濾波器驅(qū)動(dòng)電路(4)和面陣圖像傳感器(6)的電源輸入端連接，對(duì)蓄電池組的輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓；三腳架(11)用來(lái)放置和固定定焦鏡頭(1)、聲光可調(diào)諧濾波器成像模塊(2)和圖像采集模塊(5)中的面陣圖像傳感器(6)，同時(shí)用于儀器高度和姿態(tài)的調(diào)整。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于野外遙感的便攜式地面高光i普成 像光鐠儀，其特征在于所述的圖像采集模塊采用優(yōu)化積分時(shí)間的方法對(duì)不 同波段的積分時(shí)間分別進(jìn)行優(yōu)化控制，根據(jù)實(shí)際拍攝場(chǎng)景，現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化積分時(shí) 間，得到各個(gè)波段所需的最佳積分時(shí)間。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種適用于野外遙感的便攜式地面高光鐠成 像光語(yǔ)儀，其特征在于根據(jù)拍攝環(huán)境和拍攝地物的差異，設(shè)置不同的拍攝 模式，利用優(yōu)化積分時(shí)間的方法得到不同模式下各波段所需的最佳積分時(shí) 間，并將不同的拍攝模式對(duì)應(yīng)的最佳積分時(shí)間以查找表的形式固化在儀器的 系統(tǒng)軟件中，實(shí)際野外作業(yè)時(shí)，選擇合適的拍攝模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于野外遙感的便攜式地面高光語(yǔ)成 像光語(yǔ)儀，其特征在于儀器的光學(xué)系統(tǒng)采用固定焦距的方式，配備多個(gè)不 同焦距的定焦鏡頭，根據(jù)拍攝距離的差異，選取安裝不同焦距的定焦鏡頭， 鏡頭的物距固定在無(wú)窮遠(yuǎn)處。
全文摘要
一種適用于野外遙感的便攜式地面高光譜成像光譜儀，由定焦鏡頭、聲光可調(diào)諧濾波器成像模塊、圖像采集模塊、電源模塊、三腳架組成，聲光可調(diào)諧濾波器成像模塊包括聲光可調(diào)諧濾波器成像單元和聲光可調(diào)諧濾波器驅(qū)動(dòng)電路，聲光可調(diào)諧濾波器成像單元由聲光可調(diào)諧濾波器和相應(yīng)的成像光學(xué)系統(tǒng)組成，聲光可調(diào)諧濾波器驅(qū)動(dòng)電路完成波長(zhǎng)的可編程選擇控制；圖像采集模塊包括面陣圖像傳感器和便攜式計(jì)算機(jī)，面陣圖像傳感器進(jìn)行圖像獲取，便攜式計(jì)算機(jī)對(duì)拍攝時(shí)間進(jìn)行控制和圖像采集，采集后的數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)的高光譜數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)在便攜式計(jì)算機(jī)硬盤上；電源模塊由蓄電池組和多路穩(wěn)壓電路組成；三腳架用來(lái)放置和固定聲光可調(diào)諧濾波器成像模塊和圖像傳感器。
文檔編號(hào)G01J3/28GK101620008SQ200910089159
公開日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2009年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月31日
發(fā)明者李旭東, 宣 程, 賈國(guó)瑞, 趙慧潔, 輝 邢 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)