本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種水下光譜成像裝置及成像方法。

背景技術(shù)：

水下光視覺探測(cè)技術(shù)具有直觀性強(qiáng)的特點(diǎn)，作為聲納探測(cè)技術(shù)的必要補(bǔ)充，在海底繪圖、目標(biāo)識(shí)別與探測(cè)、機(jī)器人視覺等方面具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。高光譜成像技術(shù)不僅能夠探測(cè)目標(biāo)的圖像信息，還可以獲得目標(biāo)的精細(xì)光譜信息，其中目標(biāo)的精細(xì)光譜信息被稱為物質(zhì)的“指紋”，在目標(biāo)的防偽識(shí)別中具有重要意義。由于水對(duì)光的吸收與散射，導(dǎo)致光學(xué)成像設(shè)備面臨光能量不足的問題，在水下的應(yīng)用受到限制。高光譜成像設(shè)備由于波段較多，將有限的能量分成多個(gè)通道進(jìn)行接收，相比于成像設(shè)備，其信噪比更低，因此在水下很難應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決因水下高光譜數(shù)據(jù)采集困難，通道多，信噪比差的特點(diǎn)致使高光譜成像設(shè)備難以在水下應(yīng)用的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種水下高靈敏的光譜成像裝置與方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的方案為：

水下高靈敏光譜成像裝置，包括光源組件、光學(xué)組件、CCD探測(cè)器、圖像存儲(chǔ)處理組件和通訊控制組件；其特殊之處在于：

還包括像增強(qiáng)器組件；

所述光源組件、光學(xué)組件、像增強(qiáng)器組件、CCD探測(cè)器和圖像存儲(chǔ)處理組件均與所述通訊控制組件相連；所述通訊控制組件用于對(duì)光源組件、光學(xué)組件、像增強(qiáng)器組件、CCD探測(cè)器和圖像存儲(chǔ)處理組件進(jìn)行協(xié)同控制；

所述光源組件包括波長(zhǎng)可調(diào)節(jié)激光光源和整形光學(xué)組件；整形光學(xué)組件設(shè)置在激光光源的輸出光路上；

所述波長(zhǎng)可調(diào)節(jié)激光光源的譜段范圍與光譜成像裝置的譜段范圍相同，光源強(qiáng)度能夠滿足光譜成像裝置的探測(cè)照度需求；所述整形光學(xué)組件用于調(diào)整波長(zhǎng)可調(diào)諧激光光源輸出光束的發(fā)散角；

所述光源組件的光束出射中心方向與光學(xué)組件光軸之間有一定夾角，光源組件的視場(chǎng)與光學(xué)組件的視場(chǎng)在目標(biāo)物處重合或者略大于光學(xué)組件的視場(chǎng)；

所述像增強(qiáng)器組件位于光學(xué)組件的成像面上，用于對(duì)微弱光信號(hào)進(jìn)行倍增放大；

所述CCD探測(cè)器用于接收像增強(qiáng)器組件輸出的光信號(hào)；

所述圖像存儲(chǔ)處理組件與CCD探測(cè)器相連，用于接收、存儲(chǔ)和處理CCD探測(cè)器探測(cè)到的圖像，并根據(jù)圖像處理結(jié)果給出需要調(diào)整的組件參數(shù)，將該組件參數(shù)傳輸給所述通訊控制組件。

基于上述基本技術(shù)方案，本發(fā)明還作如下優(yōu)化限定：

上述光源組件的輸出光束在遠(yuǎn)方視場(chǎng)的均勻度大于90％。

上述光源組件輸出光束的視場(chǎng)比光學(xué)組件輸出光束的視場(chǎng)大10％。

上述成像裝置還包括耦合組件；所述耦合組件設(shè)置在像增強(qiáng)器組件與CCD探測(cè)器之間，用于將像增強(qiáng)器組件熒光屏上的圖像耦合成像到CCD探測(cè)器靶面上。

上述整形光學(xué)組件由準(zhǔn)直透鏡和展寬柱面鏡組成；所述準(zhǔn)直透鏡和展寬柱面鏡沿激光光源的出射光路依次設(shè)置。

上述耦合組件為中繼鏡或光錐。

上述通訊控制組件包括控制接口，像增強(qiáng)器組件、CCD探測(cè)器、光學(xué)組件以及光源組件均與該控制接口相連。

上述通訊控制組件還包括雙端口RAM串口、80C51單片機(jī)、28C64程序存儲(chǔ)器和6664數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；雙端口RAM的一端與圖像處理組件的輸出端相連，雙端口RAM的另一端與80C51單片機(jī)相連，80C51單片機(jī)同時(shí)與28C64程序存儲(chǔ)器和6664數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器相連、控制接口的輸入端相連。

上述光譜成像裝置適用于1000米以下的深水；所述光學(xué)組件為不包含分光光學(xué)系統(tǒng)的可調(diào)焦距的普通光學(xué)成像系統(tǒng)。

本發(fā)明同時(shí)提供了一種上述光譜成像裝置的成像方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

步驟一：將光源組件的輸出設(shè)置到第一個(gè)待測(cè)波段的中心波長(zhǎng)，將光源組件的光源強(qiáng)度、CCD探測(cè)器的曝光時(shí)間、像增強(qiáng)器組件的增益以及光學(xué)組件的焦距均設(shè)置為最小值；

步驟二：逐步調(diào)大光源組件的強(qiáng)度，每調(diào)整一次，圖像存儲(chǔ)處理組件就進(jìn)行一次圖像的采集、處理和判斷：

2.1若光源增強(qiáng)到某一強(qiáng)度時(shí),圖像中像素灰度值的最大值達(dá)到(2^N-1),則保持該光源強(qiáng)度不變，進(jìn)入步驟三；

2.2若光源強(qiáng)度達(dá)到最大時(shí)，圖像中像素灰度值的最大值未達(dá)到(2^N-1)，則進(jìn)入步驟2.3；

2.3逐步調(diào)大CCD探測(cè)器的曝光時(shí)間，每調(diào)整一次，圖像存儲(chǔ)處理組件就進(jìn)行一次圖像的采集、處理和判斷：若CCD的曝光時(shí)間增大到某一時(shí)間長(zhǎng)度時(shí)，圖像中像素灰度值的最大值達(dá)到(2^N-1)，則保持該曝光時(shí)間不變，進(jìn)入步驟三；若CCD的曝光時(shí)間達(dá)到系統(tǒng)的最大曝光時(shí)間時(shí)，圖像中像素灰度值的最大值未達(dá)到(2^N-1)，則進(jìn)入步驟2.4；

2.4逐步調(diào)大像增強(qiáng)器組件的增益，直至圖像中像素灰度的最大值達(dá)到(2^N-1)時(shí)，保持該增益值不變，進(jìn)入步驟三；

所述N為CCD探測(cè)器的量化位數(shù)；

步驟三：逐步調(diào)大光學(xué)組件的焦距，并在每個(gè)焦距處采集一幅圖像；

步驟四：圖像存儲(chǔ)處理組件對(duì)步驟三中采集的圖像進(jìn)行分析，判斷圖像的清晰度，并將判斷結(jié)果發(fā)送給通訊控制組件，由通訊控制組件調(diào)整光學(xué)組件的焦距到最佳位置，并在隨后步驟中保持光學(xué)組件的焦距在該最佳位置；

步驟五：按照步驟一～四的方法依次完成光源組件的輸出為其他待測(cè)波段時(shí)光源組件、CCD探測(cè)器、像增強(qiáng)器組件和光學(xué)組件的參數(shù)調(diào)整，調(diào)整到位后由通訊控制組件保存相應(yīng)的最佳光源參數(shù)S_opt(λ)、最佳CCD曝光參數(shù)C_opt(λ)、最佳像增強(qiáng)器增益參數(shù)I_opt(λ)以及所選擇的最佳光學(xué)焦距l(xiāng)_opt；

步驟六：逐步切換光源組件的輸出到每個(gè)待測(cè)波段的中心波長(zhǎng)，在每個(gè)待測(cè)波段所對(duì)應(yīng)的組件最佳參數(shù)l_opt、C_opt(λ)、I_opt(λ)和S_opt(λ)下，分別拍攝每一個(gè)待測(cè)波段的圖像image(x,y,λ)；

步驟七：關(guān)閉光源組件，并將CCD探測(cè)器、像增強(qiáng)器組件以及光學(xué)組件的參數(shù)設(shè)置為第一個(gè)待測(cè)波段λ₁所對(duì)應(yīng)的最佳參數(shù)l_opt、C_opt(λ)、I_opt(λ)下，由圖像存儲(chǔ)處理組件對(duì)該待測(cè)波段連續(xù)采集k幅圖像序列，并將這k幅圖像序列按像素取平均值后作為波段λ₁的本底Background(x,y,λ₁)：

其中x,y為像素坐標(biāo),λ₁為第一個(gè)待測(cè)波段的中心波長(zhǎng)；

步驟八：重復(fù)步驟七，直至得到每一個(gè)待測(cè)波段在最佳參數(shù)值下的本底；

步驟九：對(duì)步驟六所得的每一個(gè)待測(cè)波段的圖像均進(jìn)行定標(biāo)和校正；

步驟十：從定標(biāo)和校正后的圖像序列的同一空間位置讀取像素灰度值，按照波長(zhǎng)排列后即得到該空間位置像素的光譜信息。

上述步驟九中定標(biāo)和校正的具體方法為：

9.1將第一個(gè)待測(cè)波段λ₁對(duì)應(yīng)的圖像中的像素進(jìn)行暗電流去除；

9.2對(duì)9.1的結(jié)果進(jìn)行輻射定標(biāo)校正，輻射校正后的圖像像素image(x,y,λ₁)′為：

式中，absolute_calibratio n(λ₁,l_opt,C_opt(λ₁),I_opt(λ₁),S_opt(λ₁))為輻射定標(biāo)系數(shù)；

9.3重復(fù)步驟9.1～9.2直至完成所有待測(cè)波段圖像像素的輻射定標(biāo)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

1、本發(fā)明的光源組件采用波長(zhǎng)可調(diào)激光器，解決了水下光譜成像探測(cè)時(shí)光照不足問題；根據(jù)每個(gè)待測(cè)波段圖像的強(qiáng)弱動(dòng)態(tài)調(diào)整各組件參數(shù)，從而為每個(gè)待測(cè)波段匹配最佳的組件參數(shù)，并在最佳組件參數(shù)下采集單波段圖像，有效減少了圖像的噪聲；對(duì)于信號(hào)比較弱的波段,通過調(diào)整光源強(qiáng)度、曝光時(shí)間及像增強(qiáng)器組件增益(像增強(qiáng)器組件可以實(shí)現(xiàn)光子級(jí)放大)使得信號(hào)增強(qiáng)，解決了光能量不足的問題，同時(shí)系統(tǒng)中僅有光子噪聲等部分噪聲按比例增加，而其余噪聲保持不變，因此單波段圖像信噪比得到了有效提高；

2、本發(fā)明根據(jù)每個(gè)波段圖像的強(qiáng)弱,為每個(gè)波段圖像獲取設(shè)置和存儲(chǔ)有不同的最佳組件參數(shù),能夠防止高光譜在水下應(yīng)用時(shí)單波段能量不足導(dǎo)致微弱信號(hào)無法探測(cè)。

3、本發(fā)明在深水環(huán)境中能夠采集目標(biāo)兩維空間信息和一維光譜信息形成數(shù)據(jù)立方體，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)立方體的存儲(chǔ)。

4、本發(fā)明可用于水下探礦(進(jìn)行礦物種類和分布情況的探測(cè)識(shí)別)；對(duì)海底動(dòng)物、植物等生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)；對(duì)海底石油管道及其漏油狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明原理示意圖；

圖2為本發(fā)明中通訊控制組件的結(jié)構(gòu)原理示意圖；

其中，1-光源組件、2-光學(xué)組件,3-像增強(qiáng)器組件、4-耦合組件、5-CCD探測(cè)器；6-通訊控制組件；7-圖像存儲(chǔ)處理組件。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。

本發(fā)明所提供的水下高靈敏光譜成像裝置包括通訊控制組件6以及均與通訊控制組件6相連的光源組件1、可調(diào)焦距的光學(xué)組件2、像增強(qiáng)器組件3、耦合組件4、CCD探測(cè)器5(可以為觸發(fā)曝光模式的黑白探測(cè)器)和圖像存儲(chǔ)處理組件7。

通訊控制組件6用于對(duì)光源組件1、光學(xué)組件2、像增強(qiáng)器組件3、耦合組件4、CCD探測(cè)器5和圖像存儲(chǔ)處理組件6進(jìn)行協(xié)同控制，保證它們以一定的時(shí)間順序和精度進(jìn)行工作。具體的，通訊控制組件6可以控制光源組件的光源強(qiáng)度、光源波長(zhǎng)、光源組件的開關(guān)時(shí)間；可以觸發(fā)CCD探測(cè)器曝光、設(shè)置CCD曝光時(shí)間；可以控制像增強(qiáng)器組件開門和關(guān)門，以及進(jìn)行增益調(diào)制；可以控制光學(xué)組件進(jìn)行焦距的調(diào)節(jié)。

如圖2所示，通訊控制組件6包括控制接口、雙端口RAM、80C51單片機(jī)、28C64程序存儲(chǔ)器和6664數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；雙端口RAM與80C51單片機(jī)相連，80C51單片機(jī)同時(shí)與28C64程序存儲(chǔ)器和6664數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器相連，80C51單片機(jī)與控制接口的輸入端相連；控制接口的輸出端分別與像增強(qiáng)器組件、CCD探測(cè)器、光源組件和光學(xué)組件相連；80C51單片機(jī)通過雙端口RAM與圖像存儲(chǔ)處理組件相連并與其相互通訊。

光源組件1包括波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器和整形光學(xué)組件(由沿激光光源的出射光路依次設(shè)置的準(zhǔn)直透鏡和展寬柱面鏡組成，激光光源經(jīng)過準(zhǔn)直后展寬)，波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器的譜段范圍與光譜成像裝置的譜段范圍相同，波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器的光源強(qiáng)度能夠滿足光譜成像裝置的探測(cè)照度需求；整形光學(xué)組件用于調(diào)整可調(diào)諧激光器輸出光束的發(fā)散角，使得光源遠(yuǎn)方視場(chǎng)與光譜成像裝置的遠(yuǎn)方視場(chǎng)重合或大于光譜儀的遠(yuǎn)方視場(chǎng)。

光源組件1的視場(chǎng)與光學(xué)組件2的視場(chǎng)在目標(biāo)物處重合或者大于光學(xué)組件的視場(chǎng)，且光源組件的輸出光束在遠(yuǎn)方視場(chǎng)的均勻度優(yōu)于90％；

像增強(qiáng)器組件3位于光學(xué)組件2的成像面上，能夠?qū)ξ⑷豕庑盘?hào)進(jìn)行倍增放大，實(shí)現(xiàn)光子級(jí)信號(hào)探測(cè)；

耦合組件4用于實(shí)現(xiàn)像增強(qiáng)器組件和CCD探測(cè)器之間的耦合,將像增強(qiáng)器組件熒光屏上的圖像耦合成像到CCD探測(cè)器靶面上,耦合組件4一般為中繼鏡或光錐；

CCD探測(cè)器5用于獲取目標(biāo)物圖像，本實(shí)施例的CCD探測(cè)器采用觸發(fā)曝光模式的黑白探測(cè)器。

圖像存儲(chǔ)處理組件7用于接收、存儲(chǔ)和處理CCD探測(cè)器探測(cè)到的圖像，并根據(jù)圖像處理結(jié)果給出需要調(diào)整的組件參數(shù)(如光源強(qiáng)度、曝光時(shí)間、像增強(qiáng)器組件增益和光學(xué)組件焦距)，并將需要調(diào)整的組件參數(shù)傳輸給通訊控制組件，由通訊控制組件根據(jù)該參數(shù)對(duì)相應(yīng)的組件進(jìn)行控制調(diào)整。

圖像存儲(chǔ)處理組件7可以是常規(guī)的具有視頻圖像采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)通訊模塊的裝置,一般由FPGA或FPGA+DSP作為核心處理單元。其中數(shù)據(jù)采集模塊采集CCD探測(cè)到的圖像,數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行圖像處理,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊完成圖像存儲(chǔ),數(shù)據(jù)通訊模塊將圖像處理模塊輸出的需要調(diào)節(jié)的組件參數(shù)傳輸給通訊控制組件。

基于本發(fā)明所提供的成像裝置的成像方法如下：

步驟一：將光源組件的輸出設(shè)置到第一個(gè)待測(cè)波段的中心波長(zhǎng)，將光源組件的光源強(qiáng)度、CCD探測(cè)器的曝光時(shí)間、像增強(qiáng)器組件的增益以及光學(xué)組件的焦距均設(shè)置為最小值；

由于紅光波段在水中衰減很大，因此該步驟中可將待測(cè)波段選擇為藍(lán)綠波段?；蛘呖梢赃x擇在紅光波段，同時(shí)加強(qiáng)紅光的強(qiáng)度。

步驟二：逐步調(diào)大光源組件的強(qiáng)度，每調(diào)整一次，圖像存儲(chǔ)處理組件就進(jìn)行一次圖像的采集、處理和判斷：

2.1若光源增強(qiáng)到某一強(qiáng)度時(shí),圖像中像素灰度值的最大值達(dá)到(2^N-1),則保持該光源強(qiáng)度不變，進(jìn)入步驟三；

2.2若光源強(qiáng)度達(dá)到最大時(shí)，圖像中像素灰度值的最大值未達(dá)到(2^N-1)，則進(jìn)入步驟2.3；

2.3逐步調(diào)大CCD探測(cè)器的曝光時(shí)間，每調(diào)整一次，圖像存儲(chǔ)處理組件就進(jìn)行一次圖像的采集、處理和判斷：若CCD的曝光時(shí)間增大到某一時(shí)間長(zhǎng)度時(shí)，圖像中像素灰度值的最大值達(dá)到(2^N-1)，則保持該曝光時(shí)間不變，進(jìn)入步驟三；若CCD的曝光時(shí)間達(dá)到系統(tǒng)的最大曝光時(shí)間時(shí)，圖像中像素灰度值的最大值未達(dá)到(2^N-1)，則進(jìn)入步驟2.4；

2.4逐步調(diào)大像增強(qiáng)器組件的增益，直至圖像中像素灰度的最大值達(dá)到(2^N-1)時(shí)，保持該增益值不變，進(jìn)入步驟三；否則，像增強(qiáng)增益到最大值后進(jìn)入步驟三。

步驟三：保持步驟二中已調(diào)整到位的組件參數(shù)不變，逐步調(diào)大光學(xué)組件的焦距，并在每個(gè)焦距處采集一幅圖像；

步驟四：圖像存儲(chǔ)處理組件對(duì)步驟三中采集的圖像進(jìn)行分析，判斷圖像的清晰度，并將判斷結(jié)果發(fā)送給通訊控制組件，由通訊控制組件調(diào)整光學(xué)組件的焦距到最佳位置，并在隨后步驟中保持光學(xué)組件的焦距在該最佳位置；

步驟五：按照步驟一～四的方法依次完成光源組件的輸出為其他待測(cè)波段時(shí)光源組件、CCD探測(cè)器、像增強(qiáng)器組件和光學(xué)組件的參數(shù)調(diào)整，調(diào)整到位后由通訊控制組件保存相應(yīng)的最佳光源參數(shù)S_opt(λ)、最佳CCD曝光參數(shù)C_opt(λ)、最佳像增強(qiáng)器增益參數(shù)I_opt(λ)以及所選擇的最佳光學(xué)焦距l(xiāng)_opt；

步驟六：逐步切換光源組件的輸出到每個(gè)待測(cè)波段的中心波長(zhǎng)，在每個(gè)待測(cè)波段所對(duì)應(yīng)的最佳光學(xué)焦距l(xiāng)_opt、最佳CCD曝光參數(shù)C_opt(λ)、最佳像增強(qiáng)器增益參數(shù)I_opt(λ)和最佳光源參數(shù)S_opt(λ)下，分別拍攝每一個(gè)待測(cè)波段的圖像image(x,y,λ)；

步驟七：關(guān)閉光源組件，并將CCD探測(cè)器、像增強(qiáng)器組件以及光學(xué)組件的參數(shù)設(shè)置為第一個(gè)待測(cè)波段所對(duì)應(yīng)的最佳參數(shù)，由圖像存儲(chǔ)處理組件對(duì)該待測(cè)波段連續(xù)采集k幅圖像序列，并將這k幅圖像序列按像素取平均值后作為該波段的本底Background(x,y,λ₁)：

其中x,y為像素坐標(biāo),λ₁為第一個(gè)待測(cè)波段的中心波長(zhǎng)；

步驟八：重復(fù)步驟七，直至得到每一個(gè)待測(cè)波段(即所有待測(cè)波段)在最佳組件參數(shù)值下的本底；

這里步驟七、八中對(duì)每個(gè)波段均采集若干幀(k幀)圖像,是為了使獲取的本底不受到隨機(jī)噪聲的影響。

步驟九：對(duì)步驟六所得的所有待測(cè)波段的圖像序列進(jìn)行輻射定標(biāo)；以下給出單波段圖像的輻射定標(biāo)方法：

首先將第一個(gè)待測(cè)波段λ₁對(duì)應(yīng)的圖像中的像素image(x,y,λ₁)進(jìn)行暗電流去除，然后進(jìn)行輻射定標(biāo)后得到的單波段圖像像素image(x,y,λ₁)′為：

式中，absolute_calibratio n(λ₁,l_opt,C_opt(λ₁),I_opt(λ₁),S_opt(λ₁))為輻射定標(biāo)系數(shù)，這里獲得輻射定標(biāo)系數(shù)的方法與其它光譜成像儀類似，其區(qū)別在于本發(fā)明的輻射定標(biāo)需要在各個(gè)不同組件參數(shù)組合下進(jìn)行。

利用上述方法，逐個(gè)完成所有待測(cè)波段圖像的輻射定標(biāo)。

步驟九：從輻射定標(biāo)后的圖像序列的同一空間位置讀取像素灰度值，按照波長(zhǎng)排列后即得到該空間位置像素的光譜信息。