專利名稱：一種高空間、高光譜分辨率的高性能成像光譜儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及遙感成像技術領域，是ー種高空間、高光譜分辨率的高性能成像光譜儀。
背景技術：
隨著國民經(jīng)濟和遙感技術的發(fā)展，高光譜測量及成像技術在植被、地質、環(huán)境、軍事等領域逐漸得到了應用和發(fā)展。目前地面光譜儀、航空航天高光譜成像已經(jīng)得到了廣泛應用。
地面光譜儀能夠獲取光譜，但不具備成像能力，因而難以把握目標本質。但是具有操作簡便、高信噪比、容易進行定標等優(yōu)點。星載和機載高光譜成像儀借助于載體的飛行實現(xiàn)對面目標成像，但同時具有低空間分辨率(一般是米級甚至10米級)、低光譜分辨率(大于10納米)等缺點，這大大限制了對地物的精細研究。同時航空、航天高光譜成像容易受到大氣及環(huán)境的影響，而且不便于同步定標，給研究地物也帶來了一定的影響。迫切地需要一種新的高性能的地面高光譜成像儀，能夠避免以上不足，結合兩者優(yōu)勢。目前國際上地面高光譜成像儀商品化的還不多見，主要還處于研究和試驗階段。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是公開ー種高空間、高光譜分辨率的高性能成像光譜儀，以解決現(xiàn)有技術存在的問題。為達到上述目的，本發(fā)明的技術解決方案是ー種高空間、高光譜分辨率的高性能成像光譜儀，包括光譜儀、運動平臺和載物臺、定標器件、輔助光學器件、平臺控制箱、控制計算機，控制計算機內預先拷入相應軟件；其中，光譜儀主機、平臺控制箱和主控計算機通過串ロ、USB接ロ、藍牙或無線局域網(wǎng)連接；平臺控制箱和運動平臺上的步進電機驅動器通過同軸電纜電性相連；運動平臺上以機械方式固定有載物臺，載物臺上固接有光譜儀探頭、光源、定標器件、及輔助光學器件。所述的高性能成像光譜儀，其所述光譜儀主機、平臺控制箱和主控計算機的連接方式，根據(jù)選用的光譜儀產(chǎn)品型號和使用環(huán)境而定；輔助光學器件，為視場鏡，根據(jù)成像需求使用；定標器件，為聚四氟こ烯材料制成的漫反射參考板。所述的高性能成像光譜儀,其所述主控計算機預先拷入的軟件，支持Windows、Linux的操作系統(tǒng)平臺，支持C、C++、IDL的多種語言開發(fā)。所述的高性能成像光譜儀，其操作包括以下步驟A)根據(jù)成像要求，通過控制計算機，設計待發(fā)送的平臺運動指令，并完成平臺控制箱的檢測和初始化；B)控制計算機向傳感器發(fā)送設置和優(yōu)化指令，完成傳感器及主機的初始化；C)控制計算機向平臺控制箱發(fā)送運動指令,步進電機帶動傳感器或探頭運動；
D)當運動到成像位置時，控制計算機向傳感器主機發(fā)送成像指令，并由傳感器主機完成數(shù)據(jù)保存；E)重復C)步和D)步，完成對線目標或面目標的成像。所述的高性能成像光譜儀，其所述操作步驟的C)步是(I)控制計算機通過控制軟件向平臺控制箱發(fā)送檢測和運動指令；(2)平臺控制箱連接控制計算機和多自由度運動平臺，通過接收手動控制面板或控制計算機傳來的運動指令，完成對多自由度運動平臺的運動控制；(3)多自由度運動平臺通過步進電機帶動傳感器做六個自由度的運動即上下、左右、前后方向的平動，及側滾、偏航、俯仰三個方向的旋轉，以實現(xiàn)傳感器或探頭的位置、掃描和姿態(tài)變化，從而實現(xiàn)對點、線、面三類目標的成像。 所述的高性能成像光譜儀，其所述操作步驟的C) (3)步中，對點、線、面三類目標的成像采用手動控制，半自動控制、或全自動控制。所述的高性能成像光譜儀，其所述操作步驟的D)步是(I)控制計算機通過控制軟件向傳感器發(fā)送設置和成像指令，完成給定的成像任務，并保存數(shù)據(jù)；(2)在傳感器或探頭的物鏡前方設有輔助光學系統(tǒng)，包括視場鏡和遮光罩，用來限制視場，獲得所需的物點尺寸，并改善圖像質量；(3)使用定標器件進行輻射定標。所述的高性能成像光譜儀，其所述操作步驟的D) (3)步中，定標過程插入到成像的任何時刻，保證成像的精確性。所述的高性能成像光譜儀，其操作步驟還包括根據(jù)需求，在成像過程中使用定標器件漫反射參考板對光譜儀進行輻射標定。本發(fā)明的ー種高空間、高光譜分辨率的高性能成像光譜儀，是ー套成本低廉的、地基的、空間分辨率達亞毫米級(く 0. 5mm)、光譜采樣間_達納米級(く 2nm)、光譜范圍覆蓋可見光-短波紅外區(qū)域(0. 4-2. 5um)、主要光譜區(qū)域信噪比達3000以上、可精確作輻射標定 的高I、生苜泛成像光I普儀(High Spatial resolution HyperSpectral Imaging Spectrometer,HS21S)，從而針對目標來獲得高質量的精細高光譜圖像，為高光譜應用基礎服務。


圖I為本發(fā)明的ー種高空間、高光譜分辨率的高性能成像光譜儀裝置示意圖。其中1.光譜儀或其他光譜傳感器；2.輔助光學系統(tǒng)；3.載物臺；4.運動平臺；5.平臺控制箱；6.光源；7.光譜儀主機；8.主控計算機；9.定標參照；10.成像目標。
具體實施例方式本發(fā)明的ー種高空間、高光譜分辨率的高性能成像光譜儀，由一套或多臺套光譜傳感器、一個運動平臺和載物臺、輔助光學器件、控制器和控制軟件、定標器件等組成，各部件模塊可自由組合。在控制軟件的管理下，該裝置可以在設定的成像過程(模式)下，利用光譜傳感器來獲得空間上ー個點光譜信息或輻亮度信息，然后利用運動平臺帶動光譜儀傳感器運動來成像目標空間上其他點的信息，從而在可控制的條件下獲得高空間分辨率高信噪比的高光譜圖像。該裝置可以通過多自由度運動平臺不同的運動方式仿真不同的成像過程和成像方式，可以通過對目標結構的控制仿真目標的結構效應和角度效應。本發(fā)明的ー種高空間、高光譜分辨率的高性能成像光譜儀，硬件裝置由以下部件組成I.光譜儀或其他光譜傳感器用以獲取光譜數(shù)據(jù)或輻亮度數(shù)據(jù)，可依照光譜分辨率和光譜范圍的需求自由選擇各種商業(yè)化光譜儀(如美國ASD公司的FieldSpec 系列、美國Ocean Optics公司的USB2000系列)；2.輔助光學設備包括視場鏡和遮光罩等，用以限制視場來獲得高分辨率，并改善像質；
3.運動平臺通過平臺配備的步進電機提供X、Y兩個方向的步進運動來進行成像并控制空間分辨率，并利用Z方向的移動來準焦和進行視場控制；4.載物臺提供側滾-俯仰-偏航(roll-pitch-yaw)可控的3個角度,其中側滾能高精度自動控制并進行空間某一方向上的掃描，俯仰和偏航可調節(jié)；5.平臺控制箱可以接收其手動控制面板或控制計算機傳來的運動指令，控制運動平臺的步進電機，從而控制運動平臺的運動；6.光源分別于運動平臺上和運動平臺外安裝2個光源，可組合使用構成照明系統(tǒng)；7.主控計算機配備與平臺控制箱、光譜儀主機連接的各種接ロ，運行控制與數(shù)據(jù)采集軟件及數(shù)據(jù)預處理軟件，負責對整個系統(tǒng)進行指令運作、狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集；8.定標參照聚四氟こ烯材料制成的漫反射參考板，用以進行相對輻射定標，可以按照定標精度要求自由選擇商業(yè)化產(chǎn)品(如美國Labsphere公司的SPECTRAL0N 系列)；9.其他定標附件用以對成像過程中的器件或輻射情況進行標定或控制。本發(fā)明所述的高空間、高光譜分辨率的高性能成像光譜儀，各部件之間的連接關系如下I.光譜儀主機和主控計算機通過串ロ、USB接ロ、藍牙或無線局域網(wǎng)等方式連接(具體連接方式可視選用的光譜儀產(chǎn)品型號和使用環(huán)境而定)；2.平臺控制箱和主控計算機通過串ロ電性相連，根據(jù)選用的平臺控制箱型號的不同也可使用USB接ロ或藍牙和無線局域網(wǎng)等無線連接方式；3.平臺控制箱和運動平臺上的步進電機驅動器通過同軸電纜電性相連；4.運動平臺上以機械固定方式安裝了載物臺，用于固定光譜儀探頭、光源以及視場鏡等輔助光學設備。本發(fā)明還設計了下列軟件I.控制與數(shù)據(jù)采集軟件運行在主控計算機上，主要功能是通過和光譜儀主機的通信對光譜儀的狀態(tài)進行監(jiān)控、設置光譜儀運行參數(shù)、采集光譜儀得到的數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)存儲，通過和平臺控制箱的通信監(jiān)測運動平臺的狀態(tài)、對運動平臺進行運動控制；
2.數(shù)據(jù)預處理軟件將采集的圖像數(shù)據(jù)進行基本預處理。
使用上述的硬件組成部件和定義的部件間連接關系搭建本發(fā)明所述的ー種高空間、高光譜分辨率的高性能成像光譜儀的流程如下I.按照所述部件間連接關系I完成光譜儀主機和主控計算機的連接；2.按照所述部件間連接關系2完成平臺控制箱和主控計算機的連接；3.按照所述部件間連接關系3完成平臺控制箱和運動平臺步進電機的連接；4.在運動平臺上固定光譜儀探頭和輔助光學設備；5.檢查光譜儀主機、主控計算機、平臺控制箱之間的連接，連接它們各自的電源，并使它們處于正常工作狀態(tài)；6.檢查漫反射參考板和其他定標附件,置于ー側備用；7.打開主控計算機上預先拷入的控制軟件，測試通過控制軟件對運動平臺和光譜儀主機進行控制的有效性，等待進行成像操作。使用本發(fā)明的ー種高空間、高光譜分辨率的高性能成像光譜儀,進行成像的基本流程如下(I)根據(jù)成像目標點空間位置，通過主控計算機的控制軟件，設計待發(fā)送的平臺運動指令，并完成平臺控制箱的檢測和初始化；(2)主控計算機的控制軟件向光譜儀主機發(fā)送運行狀態(tài)設置和參數(shù)優(yōu)化等指令，完成光譜儀傳感器及其主機的初始化；(3)主控計算機的控制軟件向平臺控制箱發(fā)送運動指令，平臺控制箱生成控制脈沖信號發(fā)送到步進電機驅動器使步進電機帶動運動平臺運動，從而使光譜儀的傳感器或探頭運動；(4)當光譜儀的傳感器或探頭到達預定成像位置吋，控制計算機的控制軟件接收到平臺控制箱的反饋信息，向光譜儀主機發(fā)送成像指令，并接收光譜儀主機傳回的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)存儲；(5)重復(3)和⑷，實現(xiàn)對線目標或面目標的成像；(6)根據(jù)需求，在成像過程中使用定標器件漫反射參考板對光譜儀進行輻射標定。整體裝置達到或優(yōu)于以下主要光譜成像指標
權利要求
1.ー種高空間、高光譜分辨率的高性能成像光譜儀，包括光譜儀、運動平臺和載物臺、定標器件、輔助光學器件、平臺控制箱、控制計算機，控制計算機內預先拷入相應軟件；其特征在于，其中，光譜儀主機、平臺控制箱和主控計算機通過串ロ、USB接ロ、藍牙或無線局域網(wǎng)連接；平臺控制箱和運動平臺上的步進電機驅動器通過同軸電纜電性相連；運動平臺上以機械方式固定有載物臺，載物臺上固接有光譜儀探頭、光源、定標器件、及輔助光學器件。
2.如權利要求I所述的高性能成像光譜儀，其特征在于，所述光譜儀主機、平臺控制箱和主控計算機的連接方式，根據(jù)選用的光譜儀產(chǎn)品型號和使用環(huán)境而定；輔助光學器件，為視場鏡，根據(jù)成像需求使用；定標器件，為聚四氟こ烯材料制成的漫反射參考板。
3.如權利要求I所述的高性能成像光譜儀，其特征在于，所述主控計算機預先拷入的軟件，支持Windows、Linux的操作系統(tǒng)平臺，支持C、C++、IDL的多種語言開發(fā)。
4.如權利要求I所述的高性能成像光譜儀，其特征在于，操作包括以下步驟 A)根據(jù)成像要求，通過控制計算機，設計待發(fā)送的平臺運動指令，并完成平臺控制箱的檢測和初始化； B)控制計算機向傳感器發(fā)送設置和優(yōu)化指令，完成傳感器及主機的初始化； C)控制計算機向平臺控制箱發(fā)送運動指令，步進電機帶動傳感器或探頭運動； D)當運動到成像位置時，控制計算機向傳感器主機發(fā)送成像指令，并由傳感器主機完成數(shù)據(jù)保存； E)重復C)步和D)步，完成對線目標或面目標的成像。
5.如權利要求4所述的高性能成像光譜儀，其特征在于，所述操作步驟的C)步是 (1)控制計算機通過控制軟件向平臺控制箱發(fā)送檢測和運動指令； (2)平臺控制箱連接控制計算機和多自由度運動平臺，通過接收手動控制面板或控制計算機傳來的運動指令，完成對多自由度運動平臺的運動控制； (3)多自由度運動平臺通過步進電機帶動傳感器做六個自由度的運動即上下、左右、前后方向的平動，及側滾、偏航、俯仰三個方向的旋轉，以實現(xiàn)傳感器或探頭的位置、掃描和姿態(tài)變化，從而實現(xiàn)對點、線、面三類目標的成像。
6.如權利要求4所述的高性能成像光譜儀，其特征在于，所述操作步驟的C)(3)步中，對點、線、面三類目標的成像采用手動控制，半自動控制、或全自動控制。
7.如權利要求4所述的高性能成像光譜儀，其特征在于，所述操作步驟的D)步是 (1)控制計算機通過控制軟件向傳感器發(fā)送設置和成像指令，完成給定的成像任務，并保存數(shù)據(jù)； (2)在傳感器或探頭的物鏡前方設有輔助光學系統(tǒng)，包括視場鏡和遮光罩，用來限制視場，獲得所需的物點尺寸，并改善圖像質量； (3)使用定標器件進行輻射定標。
8.如權利要求7所述的高性能成像光譜儀，其特征在于，所述操作步驟的D)(3)步中，定標過程插入到成像的任何時刻，保證成像的精確性。
9.如權利要求4所述的高性能成像光譜儀，其特征在于，所述操作步驟，還包括根據(jù)需求，在成像過程中使用定標器件漫反射參考板對光譜儀進行輻射標定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高空間、高光譜分辨率的高性能成像光譜儀，涉及遙感成像技術，包括光譜儀、運動平臺和載物臺、定標器件、輔助光學器件、平臺控制箱、控制計算機，控制計算機內預先拷入相應軟件。本發(fā)明的光譜儀，技術指標可達到空間分辨率0.5mm，光譜分辨率3-5nm、光譜范圍涵蓋可見光-短波紅外區(qū)域(0.4-2.5um)、主要光譜區(qū)域信噪比達3000以上、可進行精確的輻射標定。
文檔編號G01J3/02GK102654421SQ201110049988
公開日2012年9月5日 申請日期2011年3月2日 優(yōu)先權日2011年3月2日
發(fā)明者于凱, 唐海蓉, 姜亢, 王磐石, 耿修瑞, 計璐艷, 趙永超 申請人:中國科學院電子學研究所