專(zhuān)利名稱(chēng)：短波紅外晝夜遠(yuǎn)距離多光譜成像儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
:本專(zhuān)利涉及一種多光譜成像儀，具體涉及一種主動(dòng)式短波紅外晝夜遠(yuǎn)距離多光譜成像儀。
技術(shù)背景:短波紅外成像儀的工作波段一般在0.9 μ πΓ2.5 μ m,其成像原理與人眼可見(jiàn)光成像相同，都是捕捉目標(biāo)反射光，因此其成像效果接近目視成像，易于實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)的目標(biāo)辨認(rèn)。許多地物在短波紅外波段有著豐富的光譜特性，所以在該譜段進(jìn)行多光譜成像，可以有效實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別。短波紅外較可見(jiàn)光波長(zhǎng)長(zhǎng)，受大氣、氣溶膠以及微小顆粒的影響相對(duì)較小，因此大氣透過(guò)率較高，觀測(cè)距離遠(yuǎn)，并具備一定穿透煙霧的能力。捕捉目標(biāo)反射光信號(hào)的成像系統(tǒng)白天成像的光源是太陽(yáng)光，夜間成像依賴(lài)夜空輝光以及儀器自身照明。短波紅外波段的夜空輝光能量顯著高于其他波段，適于夜視。與之匹配的一般照明燈比如紅外探照燈、LED等，適合近距離觀測(cè)，而要發(fā)揮短波紅外遠(yuǎn)距離探測(cè)的特性，延長(zhǎng)夜間觀測(cè)距離，就需要選擇能量大、匯聚性好激光進(jìn)行照明。且短波紅外激光不能為人眼所見(jiàn)，使得儀器有很強(qiáng)的隱蔽性。現(xiàn)有的短波紅外多光譜相機(jī)或成像光譜儀等光譜探測(cè)設(shè)備，都只能利用太陽(yáng)光實(shí)現(xiàn)白天觀測(cè)，不能用于需要晝夜監(jiān)控的場(chǎng)合。而目前利用短波紅外激光器照明成像的儀器，雖然可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的夜間成像功能，但普通激光器為單色光照明，探測(cè)器響應(yīng)波段內(nèi)其他波長(zhǎng)的信號(hào)只能依賴(lài)夜空輝光獲得，非常微弱。所以?xún)x器捕捉的是某一特定波長(zhǎng)的地物反射信號(hào)，信息不豐富，遇到恰好在這一波長(zhǎng)反照率低的目標(biāo)便難以觀測(cè)。同時(shí)，這類(lèi)儀器不帶有分光設(shè)備，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多光譜成像，進(jìn)行有效的目標(biāo)識(shí)別。
發(fā)明內(nèi)容:本專(zhuān)利提出了一種可以晝夜工作的短波紅外遠(yuǎn)距離多光譜成像儀器。如附圖1所示，系統(tǒng)包括短波紅外鏡頭、濾光片輪、探測(cè)器組件、探測(cè)器驅(qū)動(dòng)與信息獲取電路、濾光片輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主控系統(tǒng)、大功率可調(diào)諧激光器、圖像存儲(chǔ)器、通信接口以及遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。本儀器的分光元件所述的濾光片輪置于短波紅外鏡頭與探測(cè)器組件之間，通過(guò)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)不同譜段間的切換，輪上攜帶4-8個(gè)帶通濾光片，具體個(gè)數(shù)由多光譜的應(yīng)用需求決定，濾光片的通帶波段分布在0.9 μ πΓ2.5 μ m之間需要成像的波段，濾光片輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)，它帶動(dòng)濾光片轉(zhuǎn)動(dòng)，切換波段，電機(jī)配以驅(qū)動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)電路，并根據(jù)需要配置霍爾器件或旋轉(zhuǎn)變壓器作為電機(jī)定位裝置；所述探測(cè)器驅(qū)動(dòng)與信息獲取電路包括偏壓供給、探測(cè)器驅(qū)動(dòng)、模擬信號(hào)采集以及A/D轉(zhuǎn)換，探測(cè)器驅(qū)動(dòng)時(shí)序以及A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)采集由CPLD或FPGA邏輯芯片完成；所述主控系統(tǒng)是本儀器的主要邏輯控制部分，采用單片機(jī)、DSP或FPGA邏輯控制芯片，它的主要職能包括配置探測(cè)器工作參數(shù)，接收并轉(zhuǎn)發(fā)圖像數(shù)據(jù)，控制濾光片輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，配置大功率可調(diào)諧激光器工作參數(shù)，與通信接口交換命令和數(shù)據(jù)；所述大功率可調(diào)諧激光器其發(fā)光波長(zhǎng)在整個(gè)成像譜段可調(diào)，同時(shí)照明光波長(zhǎng)應(yīng)避開(kāi)大氣吸收峰，照明發(fā)散角與成像視場(chǎng)角相同；用于儀器內(nèi)部圖像存儲(chǔ)的所述圖像存儲(chǔ)器為高速大容量RAM ；所述通信接口負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)指令以及儀器狀態(tài)信息和圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)需求選擇有線或無(wú)線接口，通信協(xié)議采用RS422 ；儀器白天成像時(shí)，目標(biāo)反射太陽(yáng)光產(chǎn)生光信號(hào)；夜間成像時(shí)，大功率可調(diào)諧激光器發(fā)出照明光，經(jīng)目標(biāo)反射后，產(chǎn)生目標(biāo)光信號(hào)；光信號(hào)進(jìn)入儀器短波紅外鏡頭，鏡頭與探測(cè)器之間置有濾光片輪，光信號(hào)經(jīng)過(guò)輪上某濾光片濾光后，進(jìn)入探測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換，電信號(hào)經(jīng)過(guò)信息獲取電路以及主控系統(tǒng)后，存于圖像存儲(chǔ)器，最后圖像數(shù)據(jù)經(jīng)主控系統(tǒng)及通信接口送入遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。白天成像時(shí)太陽(yáng)光能量強(qiáng)，信噪比可以保證。而夜晚成像依賴(lài)激光照明成像，信號(hào)相對(duì)較弱。因此大功率可調(diào)諧激光器只有具備上述條件才能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離多光譜成像，可以采用Nd = YAG激光器配合OPO實(shí)現(xiàn)。假設(shè)出射激光單次脈沖能量200mJ，觀測(cè)波長(zhǎng)2.1 μ m，激光發(fā)散角等于視場(chǎng)角，為50mrad，瞬時(shí)視場(chǎng)角0.1mrad,目標(biāo)反照率0.3，量子效率0.7，探測(cè)器等效噪聲50e-，觀測(cè)距離5km。經(jīng)大氣特性分析及理論計(jì)算，若不考慮夜空輝光，則單幅圖像信噪比約為36左右。實(shí)際上，夜空輝光雖然與激光照明相比十分微弱，但短波紅外波段的夜空輝光能量遠(yuǎn)大于其他波段，因此實(shí)際信噪比會(huì)更高。系統(tǒng)白天成像方法步驟如下:I)、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)下達(dá)指令，主控系統(tǒng)根據(jù)指令配置探測(cè)器工作參數(shù)；2)、探測(cè)器組件完成初始配置，如需制冷則先完成制冷；3)、主控系統(tǒng)控制濾光片輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，將濾光片輪復(fù)位，此時(shí)起始波段對(duì)應(yīng)的濾光片位于鏡頭與探測(cè)器之間；4)、主控系統(tǒng)下達(dá)拍攝命令，探測(cè)器拍攝一幀圖像，主控系統(tǒng)從探測(cè)器驅(qū)動(dòng)與信息獲取電路接收起始波段的圖像信號(hào)，存于圖像存儲(chǔ)器中；5)、根據(jù)下一個(gè)成像波段更改探測(cè)器組件配置參數(shù)；6)、主控系統(tǒng)控制濾光片輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，將濾光片輪切換到下一個(gè)波段；7)、主控系統(tǒng)下達(dá)拍攝命令，探測(cè)器拍攝一幀圖像，主控系統(tǒng)從探測(cè)器驅(qū)動(dòng)與信息獲取電路接收該波段的圖像信號(hào)，存于圖像存儲(chǔ)器中；8)、重復(fù)步驟5)、步驟6)和步驟7)三步，直至所有波段成像完畢；9)、主控系統(tǒng)通過(guò)通信接口向遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)發(fā)送狀態(tài)信息及圖像數(shù)據(jù)；系統(tǒng)夜間成像方法步驟如下:I)、執(zhí)行白天成像方法步驟I)至步驟3)；2)、主控系統(tǒng)通過(guò)激光器控制接口，配置大功率可調(diào)諧激光器的發(fā)光波段為觀測(cè)起始波段；3)、主控系統(tǒng)下達(dá)拍攝命令，探測(cè)器開(kāi)始積分；4)、探測(cè)器開(kāi)始積分后，主控系統(tǒng)通過(guò)激光器控制接口，控制大功率可調(diào)諧激光器發(fā)出脈沖激光；[0031]5)、主控系統(tǒng)從探測(cè)器驅(qū)動(dòng)與信息獲取電路接收起始波段的圖像信號(hào)，存于圖像存儲(chǔ)器中；6)、根據(jù)下一個(gè)成像波段更改探測(cè)器組件配置參數(shù)；7)、主控系統(tǒng)控制濾光片輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，將濾光片輪切換到下一個(gè)波段；8)、主控系統(tǒng)通過(guò)激光器控制接口，配置大功率可調(diào)諧激光器的發(fā)光波段至下一個(gè)波段；9)、主控系統(tǒng)下達(dá)拍攝命令，探測(cè)器開(kāi)始積分；10)、探測(cè)器開(kāi)始積分后，主控系統(tǒng)通過(guò)激光器控制接口，控制大功率可調(diào)諧激光器發(fā)出脈沖激光；11)、主控系統(tǒng)從探測(cè)器驅(qū)動(dòng)與信息獲取電路接收該波段的圖像信號(hào)，存于圖像存儲(chǔ)器中；12)、重復(fù)步驟6)至步驟11)，直至所有波段成像完畢；13)、主控系統(tǒng)通過(guò)通信接口向遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)發(fā)送狀態(tài)信息及圖像數(shù)據(jù)。本專(zhuān)利適于穩(wěn)定平臺(tái)的長(zhǎng)期晝夜連續(xù)區(qū)域監(jiān)控，而且夜間短波紅外激光不能被人眼所見(jiàn)，因此儀器有一定隱蔽性。采用大功率激光進(jìn)行照明，可以充分發(fā)揮短波紅外波段的大氣透過(guò)特性。短波紅外光大氣透過(guò)率高，無(wú)論是照明光還是信號(hào)光的衰減都相對(duì)較小，因此夜間可以實(shí)現(xiàn)很遠(yuǎn)的觀測(cè)距離。如加裝激光測(cè)距模塊還可以實(shí)現(xiàn)測(cè)距成像。
本專(zhuān)利適于置于高塔、樓頂?shù)雀咛帲浜隙S云臺(tái)或指向鏡進(jìn)行多方位監(jiān)控，也適于搭載飛艇進(jìn)行區(qū)域監(jiān)視。晝夜多光譜觀測(cè)可以獲得監(jiān)控區(qū)域目標(biāo)的光譜信息，及時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。

:附圖1為本專(zhuān)利的總框圖。附圖2為本專(zhuān)利所列實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖)。
具體實(shí)施方式
:根據(jù)專(zhuān)利內(nèi)容，本實(shí)施例構(gòu)建了一臺(tái)短波紅外晝夜遠(yuǎn)距離多光譜成像儀，其結(jié)構(gòu)示意圖如附圖2所示。按照本專(zhuān)利附圖1展示的系統(tǒng)框圖，儀器包括:短波紅外鏡頭:根據(jù)觀測(cè)距離和分辨率確定鏡頭口徑和焦距等參數(shù)。本實(shí)施例采用意大利 OPTEC 公司的 0B-SWIR300/3.5，焦距 300mm，F(xiàn) 數(shù) 3.5。濾光片輪:根據(jù)光譜觀測(cè)需求選擇波段數(shù)，輪周濾光片孔位根據(jù)濾光片大小確定。本實(shí)施例采用SPECTR0G0N公司的短波紅外濾光片，在0.9 μ πΓ2.5 μ m選用6個(gè)波段，所以濾光片輪應(yīng)有6個(gè)濾光片孔位。探測(cè)器組件:短波紅外探測(cè)器選用高靈敏度面陣探測(cè)器，提高夜間觀測(cè)性能。本實(shí)施例選用法國(guó)Sofradir公司的500X256 MCT探測(cè)器。探測(cè)器驅(qū)動(dòng)與信息獲取電路:包括偏壓供給、探測(cè)器驅(qū)動(dòng)、模擬信號(hào)采集以及A/D轉(zhuǎn)換。邏輯芯片采用Xilinx公司的Spartan6-FTG256-LX16，負(fù)責(zé)接收主控系統(tǒng)的指令，以及向主控系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)A/D芯片傳來(lái)的數(shù)據(jù)。濾光片輪驅(qū)動(dòng)電機(jī):根據(jù)濾光片輪所需轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及控制方式?jīng)Q定，本實(shí)施例采用北京四宏公司的42BYG 1.8度兩相步進(jìn)電機(jī)。定位方式采用霍爾開(kāi)關(guān)定位。主控系統(tǒng):主控系統(tǒng)宜采用單片機(jī)、DSP、FPGA等高速邏輯芯片，本實(shí)施例采用Xilinx公司的Vertex2 Pro_XC2VP40。主控系統(tǒng)從通信接口獲得指令后，向探測(cè)器驅(qū)動(dòng)與信息獲取系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)命令，具體采用LVDS電平和RS422協(xié)議。主控系統(tǒng)接收霍爾定位信號(hào)，給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路供給時(shí)序，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路指揮電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。主控系統(tǒng)使用下文所述激光器自帶接口，配置大功率可調(diào)諧激光器，控制其進(jìn)行工作。主控系統(tǒng)通過(guò)LVDS接口接收探測(cè)器驅(qū)動(dòng)與信息獲取模塊發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)，將其存儲(chǔ)與圖像存儲(chǔ)器中。大功率可調(diào)諧激光器:本實(shí)施例采用Newport公司的Quanta-Ray Pro Nd:YAG激光器作為泵浦光，同公司的versaScan OPO進(jìn)行光調(diào)諧放大，該組合可以實(shí)現(xiàn)410nm-2550nm范圍內(nèi)可調(diào)諧激光輸出，發(fā)散角4_10mrad，單脈沖能量195mJ，配以夜空輝光可滿(mǎn)足遠(yuǎn)距離多光譜成像需求。安裝時(shí)，激光器出射軸要與成像光軸校準(zhǔn)平行。本例中為使結(jié)構(gòu)緊湊，泵浦光作了轉(zhuǎn)折；另外因?yàn)镺PO出射的發(fā)散角小于視場(chǎng)角，因此在OPO輸出端加裝一個(gè)擴(kuò)束鏡，使得出射光發(fā)散角等于視場(chǎng)角50mrad。圖像存儲(chǔ)器:存儲(chǔ)器要能存儲(chǔ)一輪成像圖像，速率要滿(mǎn)足探測(cè)器成像速率。本實(shí)施例采用64Mbit高速RAM。通信接口:通信接口包括命令發(fā)送和數(shù)據(jù)傳輸?？梢苑譃閮蓚€(gè)獨(dú)立硬件接口，也可以共用。本實(shí)施例通信接口和數(shù)傳接口硬件上獨(dú)立，分別使用一個(gè)RS422接口與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)連接。軟件上均采用RS422協(xié)議，但數(shù)傳信道的波特率較高，以滿(mǎn)足大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。如果儀器用于飛艇，或山巔等場(chǎng)合，需要加裝無(wú)線通信模塊進(jìn)行無(wú)限通信。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī):該計(jì)算機(jī)為一般高性能PC機(jī)，其中編寫(xiě)安裝相關(guān)通信軟件。計(jì)算機(jī)前加裝RS422轉(zhuǎn)串口的轉(zhuǎn)接板。本實(shí)施例使用VC6.0分別編寫(xiě)命令發(fā)送軟件和數(shù)據(jù)接收軟件，實(shí)現(xiàn)串口通信和串口數(shù)據(jù)獲取。本實(shí)施例還包括電源管理模塊，輸入電源為直流28V，通過(guò)DC-DC分供各個(gè)部分，由主控系統(tǒng)操作繼電器，控制各個(gè)部分的通斷電。系統(tǒng)在白天、夜晚成像時(shí)，分別按照專(zhuān)利內(nèi)容中的工作流程完成多光譜成像。
權(quán)利要求1.一種短波紅外晝夜遠(yuǎn)距離多光譜成像儀，包括短波紅外鏡頭、濾光片輪、探測(cè)器組件、探測(cè)器驅(qū)動(dòng)與信息獲取電路、濾光片輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主控系統(tǒng)、大功率可調(diào)諧激光器、圖像存儲(chǔ)器、通信接口以及遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，其特征在于: 本儀器的分光元件所述的濾光片輪置于短波紅外鏡頭與探測(cè)器組件之間，通過(guò)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)不同譜段間的切換，輪上攜帶4-8個(gè)帶通濾光片，具體個(gè)數(shù)由多光譜的應(yīng)用需求決定，濾光片的通帶波段分布在0.9 μ m~2.5 μ m之間需要成像的波段，濾光片輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)，它帶動(dòng)濾光片轉(zhuǎn)動(dòng)，切換波段，電機(jī)配以驅(qū)動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)電路，并根據(jù)需要配置霍爾器件或旋轉(zhuǎn)變壓器作為電機(jī)定位裝置； 所述探測(cè)器驅(qū)動(dòng)與信息獲取電路包括偏壓供給、探測(cè)器驅(qū)動(dòng)、模擬信號(hào)采集以及A/D轉(zhuǎn)換，探測(cè)器驅(qū)動(dòng)時(shí)序以及A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)采集由CPLD或FPGA邏輯芯片完成； 所述主控系統(tǒng)是本儀器的主要邏輯控制部分，采用單片機(jī)、DSP或FPGA邏輯控制芯片，它的主要職能包括配置探測(cè)器工作參數(shù)，接收并轉(zhuǎn)發(fā)圖像數(shù)據(jù)，控制濾光片輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，配置大功率可調(diào)諧激光器工作參數(shù)，與通信接口交換命令和數(shù)據(jù)； 所述大功率可調(diào)諧激光器其發(fā)光波長(zhǎng)在整個(gè)成像譜段可調(diào)，同時(shí)照明光波長(zhǎng)應(yīng)避開(kāi)大氣吸收峰，照明發(fā)散角與成像視場(chǎng)角相同； 用于儀器內(nèi)部圖像存儲(chǔ)的所述圖像存儲(chǔ)器為高速大容量RAM ； 所述通信接口負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)指令以及儀器狀態(tài)信息和圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)需求選擇有線或無(wú)線接口，通信協(xié)議采用RS422 ； 儀器白天成像時(shí)，目標(biāo)反射太陽(yáng)光產(chǎn)生光信號(hào)；夜間成像時(shí)，大功率可調(diào)諧激光器發(fā)出照明光，經(jīng)目標(biāo)反射后，產(chǎn)生目標(biāo)光信號(hào)；光信號(hào)進(jìn)入儀器短波紅外鏡頭，鏡頭與探測(cè)器之間置有濾光片輪，光信號(hào)經(jīng)過(guò)輪上某濾光片濾光后，進(jìn)入探測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換，電信號(hào)經(jīng)過(guò)信息獲取電路以及主控系統(tǒng)后，存于圖像存儲(chǔ)器，最后圖像數(shù)據(jù)經(jīng)主控系統(tǒng)及通信接口送入遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。
專(zhuān)利摘要本專(zhuān)利公開(kāi)了一種短波紅外晝夜遠(yuǎn)距離多光譜成像儀，包括短波紅外鏡頭、濾光片輪、探測(cè)器組件、探測(cè)器驅(qū)動(dòng)與信息獲取電路、濾光片輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主控系統(tǒng)、大功率可調(diào)諧激光器、圖像存儲(chǔ)器、通信接口以及遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。光信號(hào)經(jīng)過(guò)短波紅外鏡頭后，由濾光片輪實(shí)現(xiàn)分光，之后的探測(cè)器組件及電子學(xué)部分完成光電轉(zhuǎn)換和圖像數(shù)據(jù)采集，輸出圖像。夜間，激光器根據(jù)當(dāng)前成像波段，輸出相應(yīng)波長(zhǎng)的激光進(jìn)行照明，配合濾光片輪完成多光譜成像。該儀器利用短波紅外良好的大氣透過(guò)特性，進(jìn)行遠(yuǎn)距離多光譜觀測(cè)；輔以人眼不可見(jiàn)的短波紅外大功率可調(diào)諧激光對(duì)相應(yīng)波段進(jìn)行照明，實(shí)現(xiàn)夜間成像。
文檔編號(hào)G01J3/42GK202956187SQ20122065236
公開(kāi)日2013年5月29日 申請(qǐng)日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者郎均慰, 王躍明, 肖喜中, 鮑智康, 王晟瑋, 莊曉瓊, 陳楊 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所