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
技術領域：
本發(fā)明涉及一種適用于野外遙感的便攜式地面高光語成像光譜儀，適用 于野外作業(yè)時，地面對地的高光語遙感探測,屬于高光鐠成像探測技術領域。
背景技術：
目前，用于野外地面高光譜測量的成像儀大多為非成像型，分光元件以
光柵為主，釆用單點測量方式，比較著名的是美國分析光譜設備(ASD)公 司的FieldSpec系列便攜式高光譜光纖光語儀，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動部件，體積、功耗較大，不適合輕便、 低功耗、便攜的地面對地野外高光譜成像探測。不同于傳統(tǒng)的推掃式和擺掃 式光語成像系統(tǒng)，AOTF (聲光可調諧濾波器)光譜分光沒有運動部件，波 長切換時間短，波長的選擇采用電控，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量。非成像方式的AOTF光譜系統(tǒng) 在生物、醫(yī)療等領域已經有了較為成熟的應用，用于特定光譜的定性分析和 檢測。基于AOTF的光譜成像系統(tǒng)已有用于近距離光譜測量的實例，由于 光強的透過率很大程度上受AOTF衍射效率的制約，加上圖像傳感器在不 同波長范圍的量子效率的不同，造成不同波段的光譜響應存在較大的不一 致，在光鐠分辨率較高的情況下影響尤為明顯，當用于野外遙感測量時，由 于受到外部環(huán)境的制約，在很大程度上影響數(shù)據(jù)的信噪比和動態(tài)范圍，給后 續(xù)的應用處理帶來了較大的難度。結合AOTF本身特點，設計適合地面對 地野外高光語成像遙感探測的便攜式儀器，具有重要的實用價值。

發(fā)明內容
本發(fā)明的技術解決問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種適用于野外遙感探測的便攜式地面高光語成像光鐠儀，該儀器具有輕量化、操作簡便、 便攜性好的特點，特有的優(yōu)化積分時間方法和拍攝模式的分類，有效的補償 了儀器光語響應的不一致。
本發(fā)明的技術解決方案是 一種適用于野外遙感探測的便攜式地面高光 語成像光語儀，其特征在于包括下列部分包括定焦鏡頭、聲光可調諧濾波 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，用于遠距離目標聚焦，通過標準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驅動電路，AOTF驅動 電路輸出頻率可調的功率信號通過SMA射頻接口驅動AOTF成像單元，控 制AOTF的分光波長，實現(xiàn)波長的可編程控制，控制信號由便攜式計算機 通過USB總線提供，AOTF成像單元由AOTF和用于光學成像的前置和后 置光學系統(tǒng)組成，在驅動信號的作用下進行光語分光；
圖像采集模塊，包括面陣圖像傳感器和便攜式計算機，面陣圖像傳感器 按照優(yōu)化好的積分時間進行圖像獲取，并通過IEEE1394總線將圖像數(shù)據(jù)傳 輸至便攜式計算機，便攜式計算機根據(jù)所選的拍攝模式，采用優(yōu)化積分時間 的方法對各個波段的拍攝時間進行控制，并進行數(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驅動電路和面 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，同時用于儀器高度和姿態(tài)的調整。
本發(fā)明的原理是根據(jù)拍攝場景的拍攝距離和視場范圍，選擇合適焦距 的鏡頭，利用便攜式計算機運行儀器系統(tǒng)軟件對整個采集過程進行初始化， 設置相關控制參數(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、顯示和存儲方式等；然后利用優(yōu)化積分時間的方法計算出各波段所需的積分時間的最優(yōu)值；便攜式計算機運行儀器系統(tǒng)軟件選擇合適的拍攝模 式，通過USB總線控制AOTF驅動電路對AOTF進行波長選擇，AOTF驅 動電路根據(jù)相應的控制字通過SMA接口發(fā)送相應頻率的驅動信號至 AOTF,當收到AOTF驅動電路反饋的"波長選擇完成"信號后，通過 lEEE1394總線控制面陣圖像傳感器進行數(shù)據(jù)采集，采集后的數(shù)據(jù)通過 IEEE1394總線傳輸至便攜式計算機；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在便攜式計算機硬盤上。
其中，所述的圖像采集模塊采用優(yōu)化積分時間的方法對不同波段的積分 時間分別進行優(yōu)化控制，根據(jù)實際拍攝場景，現(xiàn)場優(yōu)化積分時間，得到各個 波段所需的最佳積分時間。
其中，根據(jù)拍攝環(huán)境和拍攝地物的差異，設置不同的拍攝模式，利用優(yōu) 化積分時間的方法得到不同模式下各波段所需的最佳積分時間，并將不同的 拍攝模式對應的最佳積分時間以查找表的形式固化在儀器的系統(tǒng)軟件中，實 際野外作業(yè)時，選擇合適的拍攝模式進行數(shù)據(jù)采集。
其中，儀器的光學系統(tǒng)釆用固定焦距的方式，配備多個不同焦距的定焦 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 定在無窮遠處。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于
(1 )釆用優(yōu)化積分時間方法通過現(xiàn)場的動態(tài)測量得到各個波段所需的 最佳積分時間，從而補償由于AOTF衍射效率、圖像傳感器量子效率等因 素造成的系統(tǒng)光譜響應的不一致，提高數(shù)據(jù)的動態(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，設置不同的拍攝模式，并 將不同的拍攝模式對應的最佳積分時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)采集時對積分時間的重新優(yōu)化，減小了儀器現(xiàn) 場操作的復雜性。
(3) 光學系統(tǒng)采用固定焦距的方式，配備多個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鏡頭，鏡頭的物距固定在無 窮遠處，增強儀器操作的筒便性。
(4)面陣圖像傳感器通過IEEE1394總線與便攜式計算機連接，無需 專門的圖像采集卡，AOTF驅動電路通過USB總線與便攜式計算機連接。 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。


圖1為本發(fā)明的結構組成框圖2為本發(fā)明的優(yōu)化積分時間算法流程圖3為本發(fā)明的工作流程圖；
具體實施例方式
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，定焦鏡頭用于遠距離聚焦成像，通過 標準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驅動電路4組成，AOTF驅動電路通過SMA射頻接口輸出頻率 可調的功率信號驅動AOTF成像單元中AOTF的壓電換能器，控制AOTF 的分光波長，AOTF成像單元3由AOTF和用于光學成像的前置和后置光 學系統(tǒng)組成，在驅動信號的作用下進行光譜分光；圖像釆集模塊5包括面陣 圖像傳感器6和便攜式計算機7，面陣圖像傳感器6進行圖像荻取，并通過 lEEE1394總線將圖像數(shù)據(jù)傳輸至便攜式計算機，便攜式計算機7根據(jù)所選 的拍攝模式，采用優(yōu)化積分時間的方法對各個波段的拍攝時間進行調節(jié)并控 制儀器進行成像光譜數(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驅動電路4和面陣圖像傳感器6的電源輸入端連接，對蓄電池組的輸 出電壓進行穩(wěn)壓；三腳架11用來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,同時用于儀器高度和姿態(tài)的調整。如圖2所示，本發(fā)明的圖像采集模塊中優(yōu)化積分時間的算法是基于圖像 傳感器的線性響應模型設計的?；驹砣缦率紫葘D像傳感器的線性度 進行標定，標定后的圖像傳感器滿足在相同條件下，積分時間和圖像灰度值 (DN)成正比，建立圖像灰度值與積分時間之間的線性響應關系，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，雜散光沒有經過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 中，雜散光引起的圖像灰度值的變化也跟積分時間成正比，表示為<formula>formula see original document page 8</formula>(5)式為最終的響應模型。其中，為雜散光和暗電流噪聲，"A^為
雜散光帶來的^W值，^為雜散光比例系數(shù)，^x:為暗電流比例系數(shù)。
根據(jù)響應關系，具體的實現(xiàn)方法為在視場內放置漫反射板，使漫反射
板中心與視場中心重合。在未加栽射頻驅動信號的情況下，選擇一組積分時 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 后在加載射頻驅動信號的情況下，選擇一個波長通道，把公式(4)中得到的和4*的值帶入公式(5 )中，通過設置一定的積分時間"得到相
應的平均灰度值"w，計算加權平均，得到公式(5)中的系數(shù)K。從而得到 公式(5)中該波長通道的亮度線性響應模型。轉換波長通道，計算相應的 線性響應比例系數(shù)，得到所需的不同波長下的亮度線性響應模型。
然后根據(jù)圖像傳感器的線性度確定最佳的亮度動態(tài)范圍DW ,根據(jù)公式
(5)確定的響應模型，計算出最優(yōu)的積分時間^p。不同波長通道下的最優(yōu) 積分時間均采用上述方法得到。便攜式計算機根據(jù)優(yōu)化后的各波段積分時間 分別再對各波段進行采集控制。
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) 的設定和實際場景的數(shù)據(jù)采集。拍攝模式參數(shù)的設定方法是依據(jù)外界環(huán)境 和拍攝地物的不同，細化拍攝模式的分類，并利用優(yōu)化積分時間的算法得到 每種拍攝模式下各波段最優(yōu)的積分時間，并以此作為不同拍攝模式下積分時 間的選擇依據(jù)。實際場景數(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，并通過標準的F 口與AOTF成像模塊連接； 進行儀器初始化，包括選擇采集模式，調整儀器通光孔徑、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，加載波長選擇 列表；然后開啟AOTF驅動電路，通過便攜式計算機的USB總線向AOTF 驅動電路發(fā)送波長選擇的控制字；便攜式計算機按照所選拍攝模式下的各波 段積分時間通過IEEE1394總線控制面陣圖像傳感器進行圖像采集，采集后 的圖像通過IEEE 1394總線傳輸?shù)奖銛y式計算機，數(shù)據(jù)以標準的BSQ高光 譜數(shù)據(jù)格式存儲在便攜式計算機的磁盤上；圖像數(shù)據(jù)傳輸完成后，便攜式計 算機繼續(xù)向AOTF驅動電路發(fā)送下一個波長選擇的控制字，開始另一個波 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， 儀器采集時的各部件狀態(tài)信息以工作日志的形式記錄下來。
權利要求
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)；定焦鏡頭用于遠距離目標聚焦成像，通過標準F接口與聲光可調諧濾波器成像模塊連接；聲光可調諧濾波器成像模塊(2)包括聲光可調諧濾波器成像單元(3)和聲光可調諧濾波器驅動電路(4)，聲光可調諧濾波器驅動電路輸出頻率可調的功率信號通過SMA射頻接口驅動聲光可調諧濾波器成像單元，控制分光波長，實現(xiàn)波長的可編程控制，聲光可調諧濾波器成像單元(3)由聲光可調諧濾波器和用于光學成像的前置和后置光學系統(tǒng)組成，在驅動信號的作用下進行光譜分光；圖像采集模塊(5)包括面陣圖像傳感器(6)和便攜式計算機(7)，面陣圖像傳感器(6)按照優(yōu)化好的積分時間進行圖像獲取，并通過IEE1394總線將圖像數(shù)據(jù)傳輸至便攜式計算機，便攜式計算機(7)采用優(yōu)化積分時間的方法對各個波段的拍攝時間進行調節(jié)，并控制儀器進行成像光譜數(shù)據(jù)采集，處理后的原始光譜數(shù)據(jù)以標準的BSQ高光譜數(shù)據(jù)格式存儲在便攜式計算機(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)為聲光可調諧濾波器驅動電路(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諧濾波器驅動電路(4)和面陣圖像傳感器(6)的電源輸入端連接，對蓄電池組的輸出電壓進行穩(wěn)壓；三腳架(11)用來放置和固定定焦鏡頭(1)、聲光可調諧濾波器成像模塊(2)和圖像采集模塊(5)中的面陣圖像傳感器(6)，同時用于儀器高度和姿態(tài)的調整。
2、 根據(jù)權利要求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)化積分時間的方法對不 同波段的積分時間分別進行優(yōu)化控制，根據(jù)實際拍攝場景，現(xiàn)場優(yōu)化積分時 間，得到各個波段所需的最佳積分時間。
3、 根據(jù)權利要求2所述的一種適用于野外遙感的便攜式地面高光鐠成 像光語儀，其特征在于根據(jù)拍攝環(huán)境和拍攝地物的差異，設置不同的拍攝 模式，利用優(yōu)化積分時間的方法得到不同模式下各波段所需的最佳積分時 間，并將不同的拍攝模式對應的最佳積分時間以查找表的形式固化在儀器的 系統(tǒng)軟件中，實際野外作業(yè)時，選擇合適的拍攝模式進行數(shù)據(jù)采集。
4、 根據(jù)權利要求1所述的一種適用于野外遙感的便攜式地面高光語成 像光語儀，其特征在于儀器的光學系統(tǒng)采用固定焦距的方式，配備多個不 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窮遠處。
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，聲光可調諧濾波器成像模塊包括聲光可調諧濾波器成像單元和聲光可調諧濾波器驅動電路，聲光可調諧濾波器成像單元由聲光可調諧濾波器和相應的成像光學系統(tǒng)組成，聲光可調諧濾波器驅動電路完成波長的可編程選擇控制；圖像采集模塊包括面陣圖像傳感器和便攜式計算機，面陣圖像傳感器進行圖像獲取，便攜式計算機對拍攝時間進行控制和圖像采集，采集后的數(shù)據(jù)以標準的高光譜數(shù)據(jù)格式存儲在便攜式計算機硬盤上；電源模塊由蓄電池組和多路穩(wěn)壓電路組成；三腳架用來放置和固定聲光可調諧濾波器成像模塊和圖像傳感器。
文檔編號G01J3/28GK101620008SQ200910089159
公開日2010年1月6日 申請日期2009年7月31日 優(yōu)先權日2009年7月31日
發(fā)明者李旭東, 宣 程, 賈國瑞, 趙慧潔, 輝 邢 申請人:北京航空航天大學