專利名稱：：一種地面成像光譜測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及遙感技術(shù)和光譜
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是涉及一種在地面獲取地物成像光譜數(shù)據(jù)并對所獲取數(shù)據(jù)進行預處理的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：任何對地遙感都有尺度效應的問題，在遙感器視場角不變的情況下，不同的遙感飛行高度對應不同的像元地面大小。野外光譜測量所對應的地面視場范圍與光譜圖像像元的大小相對應是圖像光譜定標質(zhì)量好壞的一個關(guān)鍵因素，而目前野外光譜輻射計均難以做到地面視場的精確設(shè)定。我們研制的高分辨地面成像光譜系統(tǒng)，不僅保留地面光譜測量的特點，也具有精確設(shè)定視場范圍和高地面分解力的優(yōu)勢，尤其適合于混合光譜研究和可變尺度下的像元光譜組構(gòu)分析?，F(xiàn)階段國內(nèi)外測量地面光譜所用的光譜儀幾乎都是非成像式的，成像式光譜儀還主要應用在航空、航天領(lǐng)域。國外對于地面成像光譜儀的研究正在廣泛展開，推出的幾種地面成像光譜儀功能都很簡單(FieldImagingSpectrometerSystem,FISS，地面成像光譜系統(tǒng))。國內(nèi)目前還缺乏專門研制的地面成像光譜儀，我們研制的高分辨地面成像光譜系統(tǒng)不僅是在科學理論上的重要創(chuàng)新，也將推動我國實用型地面成像光譜技術(shù)和產(chǎn)品的快速發(fā)展。
發(fā)明內(nèi)容(一)要解決的技術(shù)問題結(jié)合我國較成熟的航空成像光譜儀技術(shù)，研制在測量地物光譜時能同步實現(xiàn)高分辨率成像的地面成像光譜系統(tǒng)，實現(xiàn)在科學理論上的重要創(chuàng)新，推動我國實用型地面成像光譜產(chǎn)品的快速發(fā)展，促進國內(nèi)有關(guān)地面波譜測量和航空成像光譜技術(shù)的進一步發(fā)展和完口ο(二)技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種地面成像光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，包括成像光譜數(shù)據(jù)獲取部分，包括擺鏡裝置，獲取待測地物的光譜，并對其進行反射；前置光學系統(tǒng)，設(shè)置在所述擺鏡裝置反射光線一側(cè)，包括物鏡和狹縫，狹縫置于物鏡成像一側(cè)，由物鏡接收所述擺鏡裝置的反射光線并成像；分光系統(tǒng)，設(shè)置在所述狹縫后側(cè)，物鏡所成的像經(jīng)狹縫到達分光系統(tǒng)進行分光處理；CCD面陣探測器，設(shè)置在所述分光系統(tǒng)后側(cè)，接收所述分光系統(tǒng)的分光并進行感光探測；數(shù)據(jù)采集存儲與處理部分，與所述成像光譜數(shù)據(jù)獲取部分相連，對所述CXD面陣探測器所探測到的數(shù)據(jù)進行采集存儲以及處理；驅(qū)動控制部分，與所述成像光譜數(shù)據(jù)獲取部分相連，對所述成像光譜數(shù)據(jù)獲取部分進行驅(qū)動和控制；多功能系統(tǒng)平臺，包括支架和旋轉(zhuǎn)部分，用于支撐和旋轉(zhuǎn)所述成像光譜數(shù)據(jù)獲取部分的組成部件。其中，所述擺鏡裝置包括掃描鏡，所述掃描鏡包括反射鏡及其機械框架，所述反射鏡表面鍍有反射膜。其中，所述反射鏡連接有步進電機，通過所述步進電機的驅(qū)動做來回擺動。其中，所述狹縫與分光系統(tǒng)之間還設(shè)置有準直透鏡，將透過狹縫的發(fā)散光轉(zhuǎn)換為平行光。其中，所述分光系統(tǒng)采用棱鏡_光柵-棱鏡的組合方式，將入射光譜分開。其中，所述分光系統(tǒng)與所述CCD面陣探測器之間還設(shè)置有會聚透鏡，將透過所述分光系統(tǒng)發(fā)出的光會聚到所述CCD面陣探測器上。其中，所述多功能系統(tǒng)平臺設(shè)置為360°旋轉(zhuǎn)。其中，所述數(shù)據(jù)采集存儲與處理部分包括數(shù)據(jù)處理部分，所述數(shù)據(jù)處理部分包括輻射傳輸模型庫，其中包含輻射傳輸模型；標準參考板數(shù)據(jù)庫，其中包含標準參考數(shù)據(jù)；定標系數(shù)查找表模塊，用于查找定標系數(shù)；成像光譜數(shù)據(jù)定標單元，與所述成像光譜數(shù)據(jù)獲取部分、所述輻射傳輸模型庫、所述標準參考板數(shù)據(jù)庫以及所述定標系數(shù)查找表模塊分別相連，調(diào)用所述輻射傳輸模型庫和標準參考數(shù)據(jù)，結(jié)合定標系數(shù)查找表，將原始成像光譜數(shù)據(jù)由灰度值進行絕對定標，得到絕對輻射亮度數(shù)據(jù)。其中，所述絕對輻射亮度數(shù)據(jù)由所述數(shù)據(jù)處理部分轉(zhuǎn)換為反射率立方體數(shù)據(jù)。(三)有益效果本發(fā)明的技術(shù)方案所研制的高分辨率地面成像光譜系統(tǒng)可以通過地面測量既能獲取測量對象的圖像又能獲得圖像上任意的光譜曲線，這種系統(tǒng)屬于針對遙感基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的科學儀器原始創(chuàng)新，促進我國在探測器技術(shù)、成像光譜技術(shù)、光譜分光技術(shù)、高速采集和存儲技術(shù)等方面的技術(shù)發(fā)展?，F(xiàn)有的地面光譜測量系統(tǒng)只測量光譜，不成像，而且該系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理采用絕對定標，可以得到測量目標的絕對輻亮度值，能滿足定量遙感分析需要，該系統(tǒng)還配有數(shù)據(jù)監(jiān)控分析系統(tǒng)，可回放數(shù)據(jù)進行監(jiān)視，可對數(shù)據(jù)進行定標處理等。圖1是本發(fā)明地面成像光譜測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明地面成像光譜測量系統(tǒng)中成像光譜數(shù)據(jù)獲取部分系統(tǒng)框圖；圖3是本發(fā)明地面成像光譜測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理部分模塊功能圖；圖4是本發(fā)明地面成像光譜測量系統(tǒng)地面工作平臺示意圖；圖5是本發(fā)明地面成像光譜測量系統(tǒng)光機子系統(tǒng)示意圖；圖6是本發(fā)明地面成像光譜測量系統(tǒng)CCD相機傳感器的光譜響應范圍；圖7是本發(fā)明地面成像光譜測量系統(tǒng)操作軟件界面示意圖。其中1、配置部分；2、地面成像光譜輻射計；3、擺鏡；4、精密導軌；5、工作臺；6、三角架；7、待測目標；8、控制及供電盒；9、筆記本監(jiān)控器；10、掃描鏡；11、物鏡；12、狹縫；13、準直透鏡；14、PGP分光器件；15、會聚鏡；16、面陣(XD。具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。圖1為本發(fā)明地面成像光譜測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是對圖1中的成像光譜數(shù)據(jù)獲取部分進行詳細描述的結(jié)構(gòu)框圖，圖3示出了數(shù)據(jù)處理部分模塊功能圖，圖4示出了地面成像光譜測量系統(tǒng)地面工作平臺示意圖。地面成像光譜測量系統(tǒng)，包括成像光譜數(shù)據(jù)獲取部分，包括擺鏡裝置，獲取待測地物的光譜，并對其進行反射；前置光學系統(tǒng)，設(shè)置在所述擺鏡裝置反射光線一側(cè)，包括物鏡和狹縫，狹縫置于物鏡成像一側(cè)，由物鏡接收所述擺鏡裝置的反射光線并成像；分光系統(tǒng)，設(shè)置在所述狹縫后側(cè)，物鏡所成的像經(jīng)狹縫到達分光系統(tǒng)進行分光處理；CCD面陣探測器，設(shè)置在所述分光系統(tǒng)后側(cè)，接收所述分光系統(tǒng)的分光并進行感光探測；數(shù)據(jù)采集存儲與處理部分，與所述成像光譜數(shù)據(jù)獲取部分相連，對所述CCD面陣探測器所探測到的數(shù)據(jù)進行采集存儲以及處理；驅(qū)動控制部分，與所述成像光譜數(shù)據(jù)獲取部分相連，對所述成像光譜數(shù)據(jù)獲取部分進行驅(qū)動和控制；多功能系統(tǒng)平臺，包括支架和旋轉(zhuǎn)部分，用于支撐和旋轉(zhuǎn)所述成像光譜數(shù)據(jù)獲取部分的組成部件。所述成像光譜數(shù)據(jù)獲取部分獲取的光譜數(shù)據(jù)進入所述數(shù)據(jù)采集存儲與處理部分，進行數(shù)據(jù)的輻射定標，通過調(diào)用輻射傳輸模型庫和標準參考數(shù)據(jù)，結(jié)合定標系數(shù)查找表，進行運算，將原始成像光譜數(shù)據(jù)由DN(灰度)值，絕對定標后，得到絕對輻射量度數(shù)據(jù)，進而可得到反射率立方體數(shù)據(jù)。圖5為儀器光機部分示意圖，地物數(shù)據(jù)經(jīng)過擺鏡反射到物鏡、經(jīng)過狹縫、準直鏡，到達分光系統(tǒng)，光線經(jīng)分光后，到達會聚鏡，光線經(jīng)會聚鏡，投向CCD成像器件，被面陣探測器探測到，并經(jīng)過控制傳輸器件，傳輸?shù)焦P記本電腦，保存到筆記本硬盤中。存儲的數(shù)據(jù)格式為BIP格式，經(jīng)過筆記本數(shù)據(jù)處理軟件，可以進行數(shù)據(jù)定標、反射率轉(zhuǎn)換，得到地物影像立方體，并可以提取出任意像素的光譜曲線，進行定量遙感應用。在本實施例中，地面成像光譜系統(tǒng)采用焦平面探測器依靠自身擺鏡的運動對地物掃描成像，利用光學分光器件對地物進行光譜測量。其工作原理為地物通過一個垂直于軌道方向的狹縫成像，其光線經(jīng)過準直鏡后平行射出，經(jīng)色散器件在垂直條帶方向按光譜色散，經(jīng)過會聚鏡成像在探測器的光敏面上-光敏面水平行像元(平行于狹縫，稱空間維)對應地物條帶的每個波段影像；垂直列像元(色散方向，稱光譜維)對應地物條帶的空間采樣視場光譜色散的影像。這樣，對每個地物條帶，面陣探測器都會生成一幀光譜圖像數(shù)據(jù)；再加上擺鏡的運動和一定的記錄速率，就可以連續(xù)記錄光譜圖像，得到圖譜合一的圖像立方體。圖像采集與存儲地面成像光譜系統(tǒng)設(shè)計的主體，本發(fā)明為此設(shè)計了計算機子系統(tǒng)、光機子系統(tǒng)和電子學子系統(tǒng)。為了數(shù)據(jù)獲取與快速預處理需要，本發(fā)明還開發(fā)了數(shù)據(jù)獲取與預處理子系統(tǒng)。計算機子系統(tǒng)包括硬件和軟件；硬件是一臺便攜式筆記本電腦或小型工控機(由于地面成像光譜系統(tǒng)實時存儲的數(shù)據(jù)率高達3.2MB/s,對計算機硬件性能有較高要求)，軟件是安裝在計算機中用來操作地面成像光譜系統(tǒng)的計算機程序。在程序運行中通過重要關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定，可實現(xiàn)對地面成像光譜系統(tǒng)在支架上的擺動速率與角度、數(shù)據(jù)采樣頻率等指標的控制和可操作性，實現(xiàn)多種針對不同具體要求的工作模式以獲取不同空間分辨率、5不同視場大小、不同范圍、不同時段的高分辨率成像光譜數(shù)據(jù)。光機子系統(tǒng)完成成像、色散、光電轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能，主要由四部分組成，分別是掃描鏡、光學鏡頭、分光器件和CCD相機。掃描鏡主要由橢圓反射鏡、電機及其機械框架組成。反射鏡表面鍍反射膜。驅(qū)動反射鏡的電機采用步進電機。掃描鏡在步進電機的驅(qū)動下在一定角度范圍內(nèi)來回擺動，實現(xiàn)對地面上一定角度(面積)內(nèi)目標的掃描成像。光學鏡頭的作用是把地面目標的像清晰的呈現(xiàn)在分光器件的入射狹縫上。光器件采用“棱鏡-光柵-棱鏡”組合方式，把入射狹縫上的光譜在垂直于狹縫方向上分開，并會聚在CCD相機的像面上。CCD相機負責拍攝地物的光譜圖像，轉(zhuǎn)化為電信號后通過UBS接口傳給計算機。相機所采用的C⑶傳感器分辨率為1392X1040，像元合并以后為464X344，其中空間維是464元，光譜維是344元，由此實現(xiàn)了在可見光-近紅外波段范圍內(nèi)超過200個波段、優(yōu)于5nm光譜分辨率的高分辨率光譜成像。電子學子系統(tǒng)主要包括電源和電機控制電路。電源采用攝像機用大容量鋰電池，主要為CCD相機供電。電機控制電路主要負責接收計算機的控制指令以驅(qū)動電機的運轉(zhuǎn)，控制電路通過USB接口和計算機通訊，并通過USB口從計算機取電。數(shù)據(jù)獲取與預處理子系統(tǒng)一方面是實現(xiàn)對獲取數(shù)據(jù)的有效轉(zhuǎn)移、存儲和備份，并且在獲取一定時段的掃描數(shù)據(jù)后，能夠進行快速回放，以便檢驗數(shù)據(jù)的質(zhì)量和效果。另一方面是實現(xiàn)數(shù)據(jù)批量規(guī)格化處理和格式轉(zhuǎn)換；可根據(jù)當?shù)禺敃r的光照條件和設(shè)備定標參數(shù)，對數(shù)據(jù)進行輻射預處理；可根據(jù)成像模式和硬件的幾何形態(tài)、幾何性能，對數(shù)據(jù)進行幾何預處理；可對圖像進行分割、截取并生成標準格式的圖像數(shù)據(jù)；能實現(xiàn)高精度的波段配準；具有通用的外部接口和友好的人機交互界面。本發(fā)明設(shè)計了堅固耐用、拆卸簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、移動靈活、架設(shè)方便的地面測量工作平臺。在野外對典型地物進行光譜測量時，地面成像光譜系統(tǒng)的探頭及擺鏡安裝在特制導軌或支架的一端，該導軌可以繞支撐三腳架旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明將計算機子系統(tǒng)中的軟件程序和數(shù)據(jù)獲取與快速預處理子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)獲取部分融合在一起，設(shè)計了操作簡單、界面友好、功能齊全的地面成像光譜系統(tǒng)操作軟件。本發(fā)明對地面成像光譜系統(tǒng)的重要光學參數(shù)光譜范圍和分辨率，進行了實驗室定標。地面成像光譜系統(tǒng)的光譜范圍取決于分光器件和CCD相機的光譜響應范圍。分光器件給出的光譜響應范圍是430nm-900nm；而CCD相機傳感器的光譜響應在400nm-1000nm之間，由此得出本系統(tǒng)的光譜范圍主要由分光器件的光譜響應范圍決定。在實驗室利用單色儀對分光器件進行了波長定標，定標結(jié)果表明在420nm-860nm范圍內(nèi)該器件能很好的響應單色儀發(fā)出的光。地面成像光譜系統(tǒng)的光譜分辨率取決于分光器件的入射狹縫寬度和CCD相機傳感器的光敏元尺寸。本系統(tǒng)中分光器件的入射狹縫寬度為60ym，而CCD相機傳感器的光敏元在3X3合并后約是20i!m，由于分光器件采用近似的11成像機制，所以本系統(tǒng)的光譜分辨率主要由入射狹縫寬度決定。C⑶相機的傳感器分辨率為1392X1040，作3X3像元合并以后變?yōu)?64X344，其中空間維是464元，光譜維是344元，這就意味著系統(tǒng)具有344個光譜通道。在實驗室利用單色儀對系統(tǒng)進行了波長定標，定標結(jié)果給出了不同波長對應的光譜通道帶寬，見表1所示。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本發(fā)明的保護范圍。權(quán)利要求一種地面成像光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，包括成像光譜數(shù)據(jù)獲取部分，包括擺鏡裝置，獲取待測地物的光譜，并對其進行反射；前置光學系統(tǒng)，設(shè)置在所述擺鏡裝置反射光線一側(cè)，包括物鏡和狹縫，狹縫置于物鏡成像一側(cè)，由物鏡接收所述擺鏡裝置的反射光線并成像；分光系統(tǒng)，設(shè)置在所述狹縫后側(cè)，物鏡所成的像經(jīng)狹縫到達分光系統(tǒng)進行分光處理；CCD面陣探測器，設(shè)置在所述分光系統(tǒng)后側(cè)，接收所述分光系統(tǒng)的分光并進行感光探測；數(shù)據(jù)采集存儲與處理部分，與所述成像光譜數(shù)據(jù)獲取部分相連，對所述CCD面陣探測器所探測到的數(shù)據(jù)進行采集存儲以及處理；驅(qū)動控制部分，與所述成像光譜數(shù)據(jù)獲取部分相連，對所述成像光譜數(shù)據(jù)獲取部分進行驅(qū)動和控制；多功能系統(tǒng)平臺，包括支架和旋轉(zhuǎn)部分，用于支撐和旋轉(zhuǎn)所述成像光譜數(shù)據(jù)獲取部分的組成部件。2.如權(quán)利要求1所述的地面成像光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述擺鏡裝置包括掃描鏡，所述掃描鏡包括反射鏡及其機械框架，所述反射鏡表面鍍有反射膜。3.如權(quán)利要求2所述的地面成像光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述反射鏡連接有步進電機，通過所述步進電機的驅(qū)動使所述擺鏡裝置往復運動實現(xiàn)對待測地物的運動掃描。4.如權(quán)利要求1所述的地面成像光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述狹縫與分光系統(tǒng)之間還設(shè)置有準直透鏡，將透過狹縫的發(fā)散光轉(zhuǎn)換為平行光。5.如權(quán)利要求1所述的地面成像光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述分光系統(tǒng)采用棱鏡-光柵-棱鏡的組合方式，對入射光譜分光。6.如權(quán)利要求1所述的地面成像光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述分光系統(tǒng)與所述CCD面陣探測器之間還設(shè)置有會聚透鏡，將透過所述分光系統(tǒng)發(fā)出的光會聚到所述CCD面陣探測器上。7.如權(quán)利要求1所述的地面成像光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述多功能系統(tǒng)平臺設(shè)置為360°旋轉(zhuǎn)。8.如權(quán)利要求1所述的地面成像光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集存儲與處理部分包括數(shù)據(jù)處理部分，所述數(shù)據(jù)處理部分包括輻射傳輸模型庫，其中包含輻射傳輸模型；標準參考板數(shù)據(jù)庫，其中包含標準參考數(shù)據(jù)；定標系數(shù)查找表模塊，用于查找定標系數(shù)；成像光譜數(shù)據(jù)定標單元，與所述成像光譜數(shù)據(jù)獲取部分、所述輻射傳輸模型庫、所述標準參考板數(shù)據(jù)庫以及所述定標系數(shù)查找表模塊分別相連，調(diào)用所述輻射傳輸模型庫和標準參考數(shù)據(jù)，結(jié)合定標系數(shù)查找表，將原始成像光譜數(shù)據(jù)由灰度值進行絕對定標，得到絕對輻射亮度數(shù)據(jù)。9.如權(quán)利要求8所述的地面成像光譜測量系統(tǒng)，其特征在于，所述絕對輻射亮度數(shù)據(jù)由所述數(shù)據(jù)處理部分轉(zhuǎn)換為反射率立方體數(shù)據(jù)。全文摘要本發(fā)明屬于遙感技術(shù)和光譜
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種在地面獲取地物成像光譜數(shù)據(jù)并對其進行預處理的系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括成像光譜數(shù)據(jù)獲取部分，數(shù)據(jù)采集存儲與處理部分，驅(qū)動控制部分和多功能系統(tǒng)平臺，地物通過一個垂直于軌道方向的狹縫成像，其光線經(jīng)過準直鏡后平行射出，經(jīng)色散器件在垂直條帶方向按光譜色散，經(jīng)會聚鏡成像在探測器的光敏面上，并進行進一步的數(shù)據(jù)處理和圖像顯示。利用本發(fā)明設(shè)計的地面成像光譜測量系統(tǒng)，可以獲得地物連續(xù)的具有較高光譜分辨率和較高空間分辨率的地物目標的成像光譜數(shù)據(jù)，利用配套的控制軟件和數(shù)據(jù)處理軟件，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)測量控制、回放、數(shù)據(jù)定標、光譜特征提取等功能，從而解決了非運動目標的運動光譜成像技術(shù)問題。文檔編號G01J3/42GK101806622SQ20101013091公開日2010年8月18日申請日期2010年3月22日優(yōu)先權(quán)日2010年3月22日發(fā)明者亓洪興,劉學,張立福,方俊永,楊一德,童慶禧,薛永祺,鄭蘭芬申請人:中國科學院遙感應用研究所