本發(fā)明涉及光譜成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多光譜三維成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在空間載體中裝上各種有效的傳感器來(lái)獲取地球或其它星球面、周?chē)髿饧暗乇硐掠邢奚疃鹊男畔?，再采用?shù)據(jù)處理技術(shù)，從而得到人們所需要的信息，這一整套技術(shù)稱(chēng)之為空間遙感。目前所使用的傳感器已不下百種，其波段由x射線、真空紫外、可見(jiàn)光、近紅外、遠(yuǎn)紅外一直到微波波段。

多光譜成像技術(shù)是上世紀(jì)60年代初期出現(xiàn)的一種遙感技術(shù)，其波段范圍及波段數(shù)的選擇與應(yīng)用目標(biāo)直接相關(guān)，通過(guò)獲得地物幾個(gè)或更多波段的光譜信息，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)空間信息、輻射信息、光譜信息的同步獲取，能夠提高對(duì)目標(biāo)特性的綜合探測(cè)感知與識(shí)別，極大地?cái)U(kuò)展了遙感探測(cè)技術(shù)的目標(biāo)分辨、監(jiān)測(cè)能力。

三維立體成像技術(shù)的研究在國(guó)際上始于八十年代初期，隨后廣泛應(yīng)用于城市高程信息提取、森林覆蓋或困難地區(qū)的地形測(cè)繪、dtm獲取、海洋測(cè)深和環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面，它同微波合成孔徑雷達(dá)、光譜成像技術(shù)一起成為目前空間遙感中最主要的信息獲取手段。

在80年代，德國(guó)首先開(kāi)展了meoss試驗(yàn),隨后制定了moms-01和moms-02計(jì)劃,研制多光譜成像系統(tǒng)和多相機(jī)立體成像系統(tǒng)。日本在其發(fā)射的地球資源衛(wèi)星1號(hào)上裝載的光學(xué)傳感器系統(tǒng),包括微波合成孔徑雷達(dá)、多光譜掃描成像設(shè)備和立體成像設(shè)備,立體成像設(shè)備的地面分辨率的設(shè)計(jì)指標(biāo)為18m。法國(guó)在spot-4計(jì)劃中,要在衛(wèi)星上裝兩套與航向垂直的方向形成立體圖像的高幾何分辨率的立體成像設(shè)備，其地面分辨率可達(dá)5m。

顯然在遙感平臺(tái)中，為了全方位獲取精確的目標(biāo)信息，一般會(huì)同時(shí)搭載多個(gè)不同功能的光學(xué)載荷，常見(jiàn)的包括立體相機(jī)、多光譜相機(jī)和偏振成像儀等。其中，立體相機(jī)用于獲取目標(biāo)的高分辨率三維立體信息，成像光譜儀用于探測(cè)目標(biāo)的物化屬性信息，偏振成像儀用于判別目標(biāo)的紋理特征屬性。這種積木組合型的遙感方式具有顯而易見(jiàn)的缺點(diǎn)。首先，多個(gè)載荷的組合結(jié)構(gòu)降低了整個(gè)載荷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)也會(huì)引起體積和重量上的成倍累積，從而增加了遙感平臺(tái)的搭載負(fù)荷；其次，不同光軸的載荷相互之間具有視角上的偏差，這在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中需要對(duì)每個(gè)載荷的圖像進(jìn)行視角校正和配準(zhǔn)，不可避免的會(huì)增加多種遙感信息之間的融合誤差，降低探測(cè)目標(biāo)的識(shí)別率；最后，某些特定載荷如成像光譜儀或偏振成像儀本身在原理上決定了其需要采用推掃或凝視成像的方式，這對(duì)飛行平臺(tái)的穩(wěn)定性提出了非常高的要求，同時(shí)也限制了飛行器自身的飛行路線和飛行姿態(tài)。

傳統(tǒng)遙感成像技術(shù)的這些限制不僅影響了光電載荷本身的進(jìn)一步應(yīng)用，同時(shí)在一定程度上也制約了飛行器本身的發(fā)展方向。

近年來(lái)，飛機(jī)作為最主要的航空遙感平臺(tái)，逐漸向輕小、快速、靈活、智能型的無(wú)人機(jī)方向發(fā)展，這就對(duì)遙感載荷提出了新的需求：不僅要在體積和重量上滿(mǎn)足飛機(jī)的搭載能力，同時(shí)要在應(yīng)用環(huán)境上適應(yīng)平臺(tái)穩(wěn)定性和飛行姿態(tài)變化，還要在偵察性能上具有較高的目標(biāo)識(shí)別能力。因此，為了適應(yīng)新型遙感平臺(tái)的快速發(fā)展和搭載需求，光學(xué)成像遙感器的高集成度、小型化、輕量化受到高度重視，急需研究與飛行器同步應(yīng)用的新型光電載荷技術(shù)。但是目前還沒(méi)有出現(xiàn)一種能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)多光譜信息和立體三維信息同時(shí)獲取的遙感儀器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種多光譜三維成像系統(tǒng)，具有對(duì)目標(biāo)三維立體信息和光譜特性綜合探測(cè)的能力。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種多光譜三維成像系統(tǒng)，包括：成像物鏡以及三個(gè)相同結(jié)構(gòu)的多光譜面陣探測(cè)器；其中：

所述成像物鏡實(shí)現(xiàn)目標(biāo)成像的功能；三個(gè)多光譜面陣探測(cè)器分別前視、直視和后視放置，利用遙感平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)在航向方向的掃描，獲取目標(biāo)三個(gè)視角的圖像信息，再通過(guò)后續(xù)的重構(gòu)和處理操作，來(lái)得到地面的立體圖像；

每一多光譜面陣探測(cè)器均由濾光片陣列及面陣探測(cè)器組成；濾光片陣列放置在面陣探測(cè)器靶面前，濾光片陣列的每個(gè)條帶濾光膜只能通過(guò)相應(yīng)譜段的圖像，不同視場(chǎng)經(jīng)過(guò)各個(gè)條帶濾光膜濾波，在面陣探測(cè)器上獲取的是相應(yīng)視場(chǎng)的不同光譜信息；對(duì)于單個(gè)多光譜面陣探測(cè)器，利用遙感平臺(tái)飛行推掃，邊緣視場(chǎng)移動(dòng)至面陣探測(cè)器的像面中心，再次曝光將獲取該目標(biāo)的另外一個(gè)譜段信息，從而獲得目標(biāo)各個(gè)譜段的完整數(shù)據(jù)。

得到地面的立體圖像的計(jì)算過(guò)程包括：

首先，對(duì)三個(gè)多光譜面陣探測(cè)器分別進(jìn)行對(duì)應(yīng)的多幀圖像視場(chǎng)拼接，就能獲取目標(biāo)各譜段的完整的前視、直視和后視三種圖像信息；

根據(jù)立體測(cè)繪中的共線方程：

上式中，f為成像物鏡的焦距；xj，yj和zj為目標(biāo)上某一點(diǎn)j的真實(shí)坐標(biāo)位置，是待求解的未知數(shù)；xst，yst和zst為在時(shí)刻t成像時(shí)的遙感平臺(tái)的坐標(biāo)位置，對(duì)于前、直、后視三個(gè)多光譜面陣探測(cè)器有三組不同的值；a1t,a2t,a3t，b1t,b2t,b3t及c1t,c2t,c3t是時(shí)刻t時(shí)的遙感平臺(tái)三個(gè)軸的角元素φit,ωit和kit所構(gòu)成的9個(gè)方向余弦；而xt和yt為目標(biāo)點(diǎn)j相應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)位置；

將上式改寫(xiě)為：

三個(gè)多光譜面陣探測(cè)器獲取目標(biāo)各譜段的完整的前視、直視和后視三種圖像信息，對(duì)應(yīng)目標(biāo)點(diǎn)j成像時(shí)的時(shí)間各不相同；將三個(gè)視角的圖像信息中像點(diǎn)坐標(biāo)位置xt和yt，遙感平臺(tái)的坐標(biāo)位置xst,yst和zst及9個(gè)方向余弦值代入上式，即可寫(xiě)出6個(gè)聯(lián)立方程，再用最小二乘法求解目標(biāo)點(diǎn)j的坐標(biāo)位置xj，yj和zj，最終得到地面的立體圖像。

成像物鏡與任一多光譜面陣探測(cè)器配合構(gòu)成一個(gè)完整的濾光片陣列式多光譜相機(jī)，能夠采集目標(biāo)各個(gè)譜段的完整數(shù)據(jù)；

其中，通過(guò)成像物鏡后的每一目標(biāo)像經(jīng)過(guò)濾光片陣列相應(yīng)條帶濾光，形成相應(yīng)的目標(biāo)條帶像；相應(yīng)公式如下：

假設(shè)濾光片陣列上n個(gè)條帶的光譜透過(guò)率函數(shù)分別為：t1(λ)、t2(λ)....tn(λ)；目標(biāo)像為o(x,y,λ)，則第i個(gè)條帶對(duì)應(yīng)的目標(biāo)像為：

上式中，假設(shè)飛行方向沿著y軸，yi表示目標(biāo)像在第i個(gè)條帶處的中心位置坐標(biāo)，a表示第i個(gè)條帶的寬度；λ表示波長(zhǎng)；

則第i個(gè)條帶對(duì)應(yīng)的目標(biāo)像的目標(biāo)條帶像為：

ii(x,y,λ)＝ti(λ)×oi(x,y,λ)。

所述最終獲得目標(biāo)的完整數(shù)據(jù)的公式為：

濾光片陣列中每一條帶的光譜透過(guò)率函數(shù)近似為一個(gè)高斯函數(shù)：

其中，tp是光譜透過(guò)率曲線的峰值透過(guò)率，λc是透過(guò)譜段的中心波長(zhǎng)，σ是波形的方差。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，采用濾光片陣列的多光譜三維成像技術(shù)，將光譜成像技術(shù)和立體成像技術(shù)有機(jī)結(jié)合，具有對(duì)目標(biāo)三維立體信息和光譜特性綜合探測(cè)的能力；另外，由于濾光片陣列的光譜成像原理簡(jiǎn)單，具有高集成度，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕便，工作可靠，穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，降低了儀器對(duì)平臺(tái)姿態(tài)穩(wěn)定度的要求，能很好的滿(mǎn)足航空遙感應(yīng)用需求。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種多光譜三維成像系統(tǒng)的原理圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的多光譜獲取原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例

目前各種遙感儀器對(duì)于目標(biāo)多光譜信息和三維立體信息獲取都是通過(guò)單獨(dú)的多光譜相機(jī)和立體測(cè)繪相機(jī)實(shí)現(xiàn)，體積過(guò)于龐大復(fù)雜。因此為了滿(mǎn)足航空遙感的應(yīng)用需求，本發(fā)明提出一種采用濾光片陣列的多光譜三維成像系統(tǒng)，將光譜成像技術(shù)和立體成像技術(shù)有機(jī)結(jié)合，具有對(duì)目標(biāo)三維立體信息和光譜特性綜合探測(cè)的能力。三維多光譜成像原理示意圖如圖1所示。整個(gè)多光譜三維成像系統(tǒng)依次由成像物鏡1、三個(gè)多光譜面陣探測(cè)器2、3、4組成。成像物鏡1實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)成像的功能；多光譜面陣探測(cè)器是本方案的關(guān)鍵元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)光譜的視場(chǎng)分割，記錄各譜段信息。三個(gè)多光譜面陣探測(cè)器，分別前視、直視和后視放置，利用遙感平臺(tái)的運(yùn)動(dòng),自動(dòng)實(shí)現(xiàn)在航向方向的掃描，獲取目標(biāo)三個(gè)視角的信息，再經(jīng)過(guò)后續(xù)重構(gòu)和處理操作，可以得到地面的立體圖像。同時(shí)對(duì)于單個(gè)多光譜面陣探測(cè)器，利用平臺(tái)飛行推掃，獲得目標(biāo)的完整的光譜數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)能夠獲取目標(biāo)三維立體信息和光譜特性在內(nèi)的四個(gè)維度信息。本系統(tǒng)集成度高，結(jié)構(gòu)極為緊湊，重量輕便，工作可靠，穩(wěn)定性高，降低了儀器對(duì)平臺(tái)姿態(tài)穩(wěn)定度的要求，能很好的滿(mǎn)足航空遙感應(yīng)用需求。

本發(fā)明實(shí)施例中，成像物鏡與任一多光譜面陣探測(cè)器配合可構(gòu)成一個(gè)完整的濾光片陣列式多光譜相機(jī)，能夠采集目標(biāo)各個(gè)譜段的完整數(shù)據(jù)；如圖2所示，每一多光譜面陣探測(cè)器均由濾光片陣列5及面陣探測(cè)器6組成；濾光片陣列5放置在面陣探測(cè)器6靶面前，濾光片陣列5上沿著垂直于飛行的方向鍍制多個(gè)不同譜段的濾光膜，濾光片陣列的每個(gè)條帶濾光膜只能通過(guò)相應(yīng)譜段的圖像，面陣探測(cè)器的若干行像元對(duì)應(yīng)一個(gè)光譜帶，則整個(gè)面陣探測(cè)器6對(duì)應(yīng)若干光譜帶，而不同視場(chǎng)經(jīng)過(guò)各個(gè)條帶濾光膜濾波，在面陣探測(cè)器上獲取的是相應(yīng)視場(chǎng)的不同光譜信息，每次拍照獲得某一區(qū)域目標(biāo)的二維空間信息和不同視場(chǎng)對(duì)應(yīng)不同的光譜信息。對(duì)于單個(gè)多光譜面陣探測(cè)器，利用遙感平臺(tái)飛行推掃，邊緣視場(chǎng)移動(dòng)至面陣探測(cè)器的像面中心，再次曝光將獲取該目標(biāo)的另外一個(gè)譜段信息，從而獲得目標(biāo)各個(gè)譜段的完整數(shù)據(jù)。

成像物鏡與任一多光譜面陣探測(cè)器配合可構(gòu)成一個(gè)完整的濾光片陣列式多光譜相機(jī),其光譜分辨率完全取決于各濾光片條帶的光譜透過(guò)率曲線，假設(shè)濾光片陣列上n個(gè)條帶的光譜透過(guò)率函數(shù)分別為：t1(λ)、t2(λ)….tn(λ)；目標(biāo)像為o(x,y,λ)，則第i個(gè)條帶對(duì)應(yīng)的目標(biāo)像為：

上式中，假設(shè)飛行方向沿著y軸，yi表示目標(biāo)像在第i個(gè)條帶處的中心位置坐標(biāo)，a表示第i個(gè)條帶的寬度；λ表示波長(zhǎng)，x,y對(duì)應(yīng)x軸、y軸坐標(biāo)；

則第i個(gè)條帶對(duì)應(yīng)的目標(biāo)像的目標(biāo)條帶像為：

ii(x,y,λ)＝ti(λ)×oi(x,y,λ)。

最終獲得目標(biāo)的完整數(shù)據(jù)的公式為：

濾光片陣列中每一條帶的透過(guò)率曲線，在理想情況下形狀為一個(gè)矩形函數(shù)。但是實(shí)際上在絕大多數(shù)情況下，檢測(cè)出的光譜透過(guò)率函數(shù)近似為一個(gè)高斯函數(shù)：

其中，tp是光譜透過(guò)率曲線的峰值透過(guò)率，λc是透過(guò)譜段的中心波長(zhǎng)，σ是波形的方差。

將上述兩個(gè)式子相結(jié)合，可以得到最終公式為：

另一方面，在進(jìn)行地面的立體圖像計(jì)算時(shí)，利用三個(gè)多光譜面陣探測(cè)器分別進(jìn)行對(duì)應(yīng)的多幀圖像視場(chǎng)拼接，就能獲取目標(biāo)各譜段的完整的前、直、后視三種圖像信息，再進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，從而得到地面的立體圖像；具體如下：

根據(jù)立體測(cè)繪中的共線方程：

上式中，f為成像物鏡的焦距；xj，yj和zj為目標(biāo)上某一點(diǎn)j的真實(shí)坐標(biāo)位置，是待求解的未知數(shù)；xst，yst和zst為在時(shí)刻t成像時(shí)的遙感平臺(tái)的坐標(biāo)位置，對(duì)于前、直、后視三個(gè)多光譜面陣探測(cè)器有三組不同的值，由精密測(cè)軌得到；a1t,a2t,a3t，b1t,b2t,b3t及c1t,c2t,c3t是時(shí)刻t時(shí)的遙感平臺(tái)三個(gè)軸的角元素φit,ωit和kit所構(gòu)成的9個(gè)方向余弦，由遙感平臺(tái)姿態(tài)的精密測(cè)量得到；而xt和yt為目標(biāo)點(diǎn)j相應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)位置，由圖像信息得到；

將上式改寫(xiě)為：

三個(gè)多光譜面陣探測(cè)器獲取目標(biāo)各譜段的完整的前、直、后視三種圖像信息，對(duì)應(yīng)目標(biāo)點(diǎn)j成像時(shí)的時(shí)間各不相同；將三個(gè)視角的圖像信息中像點(diǎn)坐標(biāo)位置xt和yt，遙感平臺(tái)的坐標(biāo)位置xst,yst和zst及9個(gè)方向余弦值代入上式，即可寫(xiě)出6個(gè)聯(lián)立方程，再用最小二乘法求解目標(biāo)點(diǎn)j的坐標(biāo)位置xj，yj和zj，最終得到地面的立體圖像。

另外，基于上述多光譜成像系統(tǒng)的具體工作過(guò)程可以簡(jiǎn)述如下：

1)將目標(biāo)區(qū)域劃分為與濾光片陣列數(shù)一致的n個(gè)條帶目標(biāo)。

2)對(duì)于多光譜面陣探測(cè)器3，每一條帶目標(biāo)經(jīng)過(guò)成像物鏡成像，變換為其對(duì)應(yīng)的目標(biāo)像。

3)每一目標(biāo)像再經(jīng)過(guò)濾光片陣列相應(yīng)條帶濾光，形成最終的目標(biāo)各條帶像。

4)面陣探測(cè)器通過(guò)光電效應(yīng)獲取和記錄各目標(biāo)條帶像的信息。

5)通過(guò)遙感平臺(tái)飛行推掃，邊緣視場(chǎng)移動(dòng)至面陣探測(cè)器6的像面中心，再次曝光將獲取該目標(biāo)的另外一個(gè)譜段信息，從而獲得目標(biāo)直視時(shí)的各個(gè)譜段的完整數(shù)據(jù)。

6)同理，對(duì)于另外兩個(gè)多光譜面陣探測(cè)器2、4，重復(fù)上述過(guò)程(1)～(5)，可以分別獲得對(duì)應(yīng)目標(biāo)的另外兩組前、后視數(shù)據(jù)。

7)利用目標(biāo)各譜段的三組前、直、后視信息，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得到目標(biāo)各點(diǎn)的地面坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)多光譜三維成像。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)，所涉及的相關(guān)算法可以由外置或者內(nèi)置的處理模塊來(lái)完成，因而，系統(tǒng)圖中并未示出相關(guān)處理模塊。

本發(fā)明實(shí)施例上述系統(tǒng)，采用濾光片陣列的多光譜三維成像技術(shù)，將光譜成像技術(shù)和立體成像技術(shù)有機(jī)結(jié)合，具有對(duì)目標(biāo)三維立體信息和光譜特性綜合探測(cè)的能力；另外，由于濾光片陣列的光譜成像原理簡(jiǎn)單，具有高集成度，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕便，工作可靠，穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，降低了儀器對(duì)平臺(tái)姿態(tài)穩(wěn)定度的要求，能很好的滿(mǎn)足航空遙感應(yīng)用需求。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。