本實用新型屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種水下光譜成像裝置。

背景技術(shù)：

水下光視覺探測技術(shù)具有直觀性強的特點，作為聲納探測技術(shù)的必要補充，在海底繪圖、目標識別與探測、機器人視覺等方面具有非常重要的應(yīng)用價值。高光譜成像技術(shù)不僅能夠探測目標的圖像信息，還可以獲得目標的精細光譜信息，其中目標的精細光譜信息被稱為物質(zhì)的“指紋”，在目標的防偽識別中具有重要意義。由于水對光的吸收與散射，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通道進行接收，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，本實用新型提供了一種水下高靈敏的光譜成像裝置。

本實用新型解決上述技術(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探測器、圖像存儲處理組件和通訊控制組件；其特殊之處在于：

還包括像增強器組件；

所述光源組件、光學(xué)組件、像增強器組件、CCD探測器和圖像存儲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光源組件、光學(xué)組件、像增強器組件、CCD探測器和圖像存儲處理組件進行協(xié)同控制；

所述光源組件包括波長可調(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，光源強度能夠滿足光譜成像裝置的探測照度需求；所述整形光學(xué)組件用于調(diào)整波長可調(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，光源組件的視場與光學(xué)組件的視場在目標物處重合或者略大于光學(xué)組件的視場；

所述像增強器組件位于光學(xué)組件的成像面上，用于對微弱光信號進行倍增放大；

所述CCD探測器用于接收像增強器組件輸出的光信號；

所述圖像存儲處理組件與CCD探測器相連，用于接收、存儲和處理CCD探測器探測到的圖像，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，本實用新型還作如下優(yōu)化限定：

上述光源組件的輸出光束在遠方視場的均勻度大于90％。

上述光源組件輸出光束的視場比光學(xué)組件輸出光束的視場大10％。

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

上述整形光學(xué)組件由準直透鏡和展寬柱面鏡組成；所述準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，像增強器組件、CCD探測器、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、28C64程序存儲器和6664數(shù)據(jù)存儲器；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單片機相連，80C51單片機同時與28C64程序存儲器和6664數(shù)據(jù)存儲器相連、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)。

本實用新型的優(yōu)點是：

1、本實用新型的光源組件采用波長可調(diào)激光器，解決了水下光譜成像探測時光照不足問題；根據(jù)每個待測波段圖像的強弱動態(tài)調(diào)整各組件參數(shù)，從而為每個待測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；對于信號比較弱的波段,通過調(diào)整光源強度、曝光時間及像增強器組件增益(像增強器組件可以實現(xiàn)光子級放大)使得信號增強，解決了光能量不足的問題，同時系統(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、本實用新型根據(jù)每個波段圖像的強弱,為每個波段圖像獲取設(shè)置和存儲有不同的最佳組件參數(shù),能夠防止高光譜在水下應(yīng)用時單波段能量不足導(dǎo)致微弱信號無法探測。

3、本實用新型在深水環(huán)境中能夠采集目標兩維空間信息和一維光譜信息形成數(shù)據(jù)立方體，同時進行數(shù)據(jù)立方體的存儲。

4、本實用新型可用于水下探礦(進行礦物種類和分布情況的探測識別)；對海底動物、植物等生態(tài)環(huán)境監(jiān)測；對海底石油管道及其漏油狀況進行監(jiān)測。

附圖說明

圖1為本實用新型原理示意圖；

圖2為本實用新型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-像增強器組件、4-耦合組件、5-CCD探測器；6-通訊控制組件；7-圖像存儲處理組件。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本實用新型作詳細說明。

本實用新型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、像增強器組件3、耦合組件4、CCD探測器5(可以為觸發(fā)曝光模式的黑白探測器)和圖像存儲處理組件7。

通訊控制組件6用于對光源組件1、光學(xué)組件2、像增強器組件3、耦合組件4、CCD探測器5和圖像存儲處理組件6進行協(xié)同控制，保證它們以一定的時間順序和精度進行工作。具體的，通訊控制組件6可以控制光源組件的光源強度、光源波長、光源組件的開關(guān)時間；可以觸發(fā)CCD探測器曝光、設(shè)置CCD曝光時間；可以控制像增強器組件開門和關(guān)門，以及進行增益調(diào)制；可以控制光學(xué)組件進行焦距的調(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、28C64程序存儲器和6664數(shù)據(jù)存儲器；雙端口RAM與80C51單片機相連，80C51單片機同時與28C64程序存儲器和6664數(shù)據(jù)存儲器相連，80C51單片機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器組件、CCD探測器、光源組件和光學(xué)組件相連；80C51單片機通過雙端口RAM與圖像存儲處理組件相連并與其相互通訊。

光源組件1包括波長可調(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)置的準直透鏡和展寬柱面鏡組成，激光光源經(jīng)過準直后展寬)，波長可調(diào)諧激光器的譜段范圍與光譜成像裝置的譜段范圍相同，波長可調(diào)諧激光器的光源強度能夠滿足光譜成像裝置的探測照度需求；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，使得光源遠方視場與光譜成像裝置的遠方視場重合或大于光譜儀的遠方視場。

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

像增強器組件3位于光學(xué)組件2的成像面上，能夠?qū)ξ⑷豕庑盘栠M行倍增放大，實現(xiàn)光子級信號探測；

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

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

圖像存儲處理組件7用于接收、存儲和處理CCD探測器探測到的圖像，并根據(jù)圖像處理結(jié)果給出需要調(diào)整的組件參數(shù)(如光源強度、曝光時間、像增強器組件增益和光學(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)對相應(yīng)的組件進行控制調(diào)整。

圖像存儲處理組件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探測到的圖像,數(shù)據(jù)處理模塊進行圖像處理,數(shù)據(jù)存儲模塊完成圖像存儲,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。

本實用新型所提供的成像裝置工作過程和原理：

步驟一：將光源組件的輸出設(shè)置到第一個待測波段的中心波長，將光源組件的光源強度、CCD探測器的曝光時間、像增強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波段選擇為藍綠波段?；蛘呖梢赃x擇在紅光波段，同時加強紅光的強度。

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

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

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

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

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

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，并在每個焦距處采集一幅圖像；

步驟四：圖像存儲處理組件對步驟三中采集的圖像進行分析，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波段時光源組件、CCD探測器、像增強器組件和光學(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待測波段的中心波長，在每個待測波段所對應(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，分別拍攝每一個待測波段的圖像image(x,y,λ)；

步驟七：關(guān)閉光源組件，并將CCD探測器、像增強器組件以及光學(xué)組件的參數(shù)設(shè)置為第一個待測波段所對應(yīng)的最佳參數(shù)，由圖像存儲處理組件對該待測波段連續(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,λ₁為第一個待測波段的中心波長；

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

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

步驟九：對步驟六所得的所有待測波段的圖像序列進行輻射定標；以下給出單波段圖像的輻射定標方法：

首先將第一個待測波段λ₁對應(yīng)的圖像中的像素image(x,y,λ₁)進行暗電流去除，然后進行輻射定標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))為輻射定標系數(shù)，這里獲得輻射定標系數(shù)的方法與其它光譜成像儀類似，其區(qū)別在于本實用新型的輻射定標需要在各個不同組件參數(shù)組合下進行。

利用上述方法，逐個完成所有待測波段圖像的輻射定標。

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