本發(fā)明涉及目標(biāo)遙感偵查探測領(lǐng)域，具體地，涉及一種小型化凝視型機(jī)載光譜成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，遙感探測在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。目前大多數(shù)星載、機(jī)載遙感儀器，無論成像與否，是以獲取來自目標(biāo)不同波段的輻射強(qiáng)度進(jìn)而推求目標(biāo)的表面狀態(tài)、溫度、成分及其它物理化學(xué)特性為目的。描述目標(biāo)電磁輻射特性的不僅有幅值還有波長和相位，而這些特性可以從不同角度描述被觀測目標(biāo)。光譜成像技術(shù)可同時(shí)獲取目標(biāo)的空間信息和光譜信息，其最突出的特點(diǎn)是能夠通過光譜分析鑒別材料的組成成分，進(jìn)一步揭露與背景材料不同的目標(biāo)及其偽裝。因此，光譜成像技術(shù)被廣泛應(yīng)用于國土資源勘探、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、城市遙感、農(nóng)業(yè)普查、林業(yè)檢測等領(lǐng)域。

目前機(jī)載光譜成像系統(tǒng)大多采用色散型光譜成像方式，該類光譜成像儀主要通過在飛行方向進(jìn)行一維空間掃描，并通過拼接方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)空間信息的采集。該成像方式對(duì)無人機(jī)飛行姿態(tài)要求較為苛刻，而現(xiàn)有大多數(shù)小型無人機(jī)由于本身重量、體積、飛行高度等參數(shù)限制，在高空中的飛行姿態(tài)無法得到精確控制，因此無法滿足色散型光譜成像系統(tǒng)的姿態(tài)要求。

綜上所述，本申請(qǐng)發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本申請(qǐng)發(fā)明技術(shù)方案的過程中，發(fā)現(xiàn)上述技術(shù)至少存在如下技術(shù)問題：

在現(xiàn)有技術(shù)中，現(xiàn)有大多數(shù)小型無人機(jī)在高空中的飛行姿態(tài)無法滿足色散型機(jī)載光譜成像系統(tǒng)圖像拼接需求的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種小型化凝視型機(jī)載光譜成像系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有的機(jī)載光譜成像系統(tǒng)存在的對(duì)無人機(jī)飛行姿態(tài)要求較為苛刻、無法適應(yīng)現(xiàn)有大多數(shù)小型無人機(jī)飛行姿態(tài)現(xiàn)狀的技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)小型化輕量化，可搭載于小型飛行平臺(tái)的技術(shù)效果。

在成像平臺(tái)方面，小型無人機(jī)由于使用簡單，生存能力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性好等特點(diǎn)，市場份額將占有絕對(duì)統(tǒng)治地位，基于小型無人機(jī)平臺(tái)的機(jī)載光譜成像系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用需求。本申請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)了一款小型化、模塊化、通用化、能夠滿足小型無人機(jī)平臺(tái)要求的機(jī)載光譜成像設(shè)備，可有效改善機(jī)載光譜成像系統(tǒng)的搭載環(huán)境適應(yīng)性要求，與小型無人機(jī)配備執(zhí)行任務(wù)，在國土資源勘探、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、城市遙感等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

本發(fā)明的目的是提供一種能夠滿足小型無人機(jī)載荷要求的機(jī)載光譜成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在大多數(shù)小型無人機(jī)(含多旋翼無人機(jī)和固定翼無人機(jī))高空飛行環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)工作波段覆蓋420nm-2500nm(分波段實(shí)現(xiàn))的高質(zhì)量光譜圖片采集，并可利用圖像分析處理軟件實(shí)現(xiàn)地物光譜圖像分析、分類、和數(shù)據(jù)庫建立等功能。

本發(fā)明的機(jī)載光譜成像系統(tǒng)由光學(xué)成像單元、光譜調(diào)制單元、圖像采集單元、機(jī)載電控單元、地面控制單元、圖像處理分析單元六部分組成，其技術(shù)特點(diǎn)包括以下部分：

光學(xué)成像單元包括擺鏡和成像物鏡兩個(gè)主要部分，位于整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的最前端，用于將被測目標(biāo)的光信號(hào)進(jìn)行收集并成像于圖像傳感器焦平面上。擺鏡位于系統(tǒng)最前端，用于實(shí)現(xiàn)大范圍成像區(qū)域的掃描；成像物鏡位于擺鏡后面，用于實(shí)現(xiàn)采集光束的聚焦和成像。

光譜調(diào)制單元，位于光學(xué)成像單元的后面，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光進(jìn)行光譜調(diào)制功能。光譜調(diào)制單元采用液晶可調(diào)濾光器進(jìn)行光譜調(diào)制。

圖像采集單元主要包括圖像探測器和圖像采集存儲(chǔ)模塊，用于對(duì)感興趣成像區(qū)域進(jìn)行圖像采集和存儲(chǔ)模塊。圖像采集單元采用的圖像采集存儲(chǔ)模塊不僅能夠?qū)崿F(xiàn)不低于120mb/s的寫入速度，并能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)pal制式模擬圖像或?qū)崟r(shí)壓縮數(shù)字圖像輸出。

機(jī)載電控單元包括機(jī)載控制模塊、機(jī)載電源模塊和機(jī)載配屬設(shè)備等，用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各子單元等的驅(qū)動(dòng)控制和同步協(xié)調(diào)工作。

地面控制單元包括系統(tǒng)控制軟件、機(jī)載無線通信裝備，用于在地面上與設(shè)備進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)地對(duì)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)。地面控制單元包括系統(tǒng)控制軟件、機(jī)載無線通信裝備和視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，用于在地面上與設(shè)備進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)地對(duì)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)。

圖像處理分析單元包括圖像處理軟件和地面工作站，用于對(duì)采集到的圖像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)、圖像合成、圖像自動(dòng)分類等功能分析，并通過對(duì)采集到的光譜信息與數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)物體的分類識(shí)別。

本發(fā)明的工作原理為：地面控制單元通過機(jī)載飛控鏈路或數(shù)控鏈路向設(shè)備發(fā)送控制指令，機(jī)載控制單元根據(jù)指令通過輸出一組多通道的低壓交變信號(hào)，驅(qū)動(dòng)光譜調(diào)制單元、圖像采集和存儲(chǔ)模塊等電子單元模塊協(xié)調(diào)工作；光譜調(diào)制單元在驅(qū)動(dòng)控制器作用下，對(duì)來自景物的光信號(hào)進(jìn)行光譜調(diào)制；圖像傳感器接受透過光譜調(diào)制器的來自景物的光信號(hào)對(duì)景物成像，圖像采集和存儲(chǔ)模塊將來自圖像傳感器的圖像信號(hào)在線存儲(chǔ)，同時(shí)輸出一路壓縮后的實(shí)時(shí)數(shù)字或模擬信號(hào)給機(jī)載數(shù)傳或圖傳設(shè)備，圖像處理軟件對(duì)事后導(dǎo)出的光譜圖像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)、圖像合成等功能分析，并通過對(duì)采集到的光譜信息與數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的光譜分析。

本發(fā)明的機(jī)載光譜成像系統(tǒng)利用液晶可調(diào)濾光器進(jìn)行光譜調(diào)制，基于機(jī)載平臺(tái)的圖傳設(shè)備或數(shù)傳設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控和下傳，利用地面工作站對(duì)下傳或事后導(dǎo)出的光譜圖像進(jìn)行圖像處理和光譜分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的光譜分析和圖像識(shí)別功能。

本申請(qǐng)?zhí)峁┑囊粋€(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

(1)系統(tǒng)采用模塊化簡潔化設(shè)計(jì)，具有小型化輕量化特色(重量不超過3kg)，可搭載于大多數(shù)小型飛行平臺(tái)；

(2)采用面陣凝視成像方式，可獲取高質(zhì)量的光譜圖像，對(duì)搭載設(shè)備的飛行姿態(tài)要求低；

(3)電控時(shí)域光譜調(diào)制方式，用戶可根據(jù)應(yīng)用場景在設(shè)備允許的譜段內(nèi)靈活編排工作光譜序列；

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的限定；

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本發(fā)明的液晶光譜調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為系統(tǒng)工作流程圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種小型化凝視型機(jī)載光譜成像系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有的機(jī)載光譜成像系統(tǒng)存在的對(duì)無人機(jī)飛行姿態(tài)要求較為苛刻、無法適應(yīng)現(xiàn)有大多數(shù)小型無人機(jī)飛行姿態(tài)現(xiàn)狀的技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)小型化輕量化，可搭載于小型飛行平臺(tái)的技術(shù)效果。

為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。需要說明的是，在相互不沖突的情況下，本申請(qǐng)的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是，本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述范圍內(nèi)的其他方式來實(shí)施，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受下面公開的具體實(shí)施例的限制。

圖1是本發(fā)明的小型機(jī)載光譜成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，整機(jī)分成機(jī)上部分和地面控制部分，機(jī)上部分包括光學(xué)成像單元、光譜調(diào)制單元、圖像采集單元和機(jī)載電控單元，地面控制部分包括地面控制單元和圖像處理分析單元組成。其中，光學(xué)成像單元處于最前端，光譜調(diào)制單元與光學(xué)成像單元相連接，圖像采集單元位于光譜調(diào)制單元后面。機(jī)載電控單元分別與光學(xué)成像單元、光譜調(diào)制單元、圖像采集單元兩連接，地面控制單元和圖像處理分析單元安裝在地面工作站，通過機(jī)載飛控設(shè)備和數(shù)傳圖傳設(shè)備與機(jī)上設(shè)備相連接。

光學(xué)系統(tǒng)包括擺鏡(選配件)和成像物鏡。擺鏡用于實(shí)現(xiàn)大范圍成像區(qū)域的掃描。成像物鏡和調(diào)焦組件用于對(duì)入射光進(jìn)行采集并匯聚到探測器靶面上。光學(xué)系統(tǒng)要求成像畸變小、一致性好、光能量耦合效率高。

光譜調(diào)制系統(tǒng)為本機(jī)載光譜成像系統(tǒng)的核心器件，用于實(shí)現(xiàn)入射光的光譜調(diào)制。由于本機(jī)載光譜成像系統(tǒng)要求適用于大多數(shù)小型無人機(jī)較差的飛行姿態(tài)，以及快速的光譜圖像下傳和處理，考慮到現(xiàn)有機(jī)載平臺(tái)的傳輸帶寬，本系統(tǒng)所用的光譜調(diào)制系統(tǒng)為液晶電控濾光器(lctf)，在本實(shí)施方案中，選用覆蓋420nm-2500nm(分波段實(shí)現(xiàn))的lctf為光譜調(diào)制器件。lctf光譜調(diào)制系統(tǒng)包括lctf分光模塊和溫控模塊。其中，lctf分光模塊只允許窄帶光譜依時(shí)間順序依次通過光學(xué)系統(tǒng)成像。而溫控分系統(tǒng)用于對(duì)lctf分光模塊進(jìn)行精確溫控，將lctf分光器件的溫度控制在一定范圍內(nèi)，使其能夠正常工作。

圖像采集系統(tǒng)主要包括圖像探測器和圖像采集存儲(chǔ)模塊。根據(jù)本系統(tǒng)的技術(shù)要求，圖像探測器要求為高靈敏的面陣探測器，成像最大幀頻不低于30fps，曝光時(shí)間可在0.1ms-1s之間可調(diào)，并且具備全局曝光模式。系統(tǒng)所用圖像采集存儲(chǔ)模塊的圖像寫入速度不低于120mb/s，并具備pal制式或hdmi制式視頻信號(hào)輸出。在本實(shí)施方案中，所用圖像采集存儲(chǔ)模塊為定制產(chǎn)品，頭部探測器數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)線接口至機(jī)載電控單元內(nèi)的圖像采集及存儲(chǔ)模塊的圖像接口板，經(jīng)圖像還原至圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)板。提供圖像數(shù)據(jù)usb接口，便于事后數(shù)據(jù)導(dǎo)出；同時(shí)便于地面調(diào)試，設(shè)置標(biāo)清pal模擬圖像輸出，并與穩(wěn)定與補(bǔ)償控制的其他監(jiān)控信號(hào)一并引至機(jī)載電控單元的機(jī)箱壁。

機(jī)載電控系統(tǒng)主要功能為實(shí)現(xiàn)各單元的電控協(xié)調(diào)工作，并且相關(guān)之間不能存在電磁干擾。機(jī)載電控系統(tǒng)包括機(jī)載控制單位、機(jī)載電源模塊和機(jī)載配屬設(shè)備等。機(jī)載控制單元用于對(duì)lctf分光模塊和圖像傳感器的精確控制和時(shí)序精確匹配，從而實(shí)現(xiàn)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在lctf工作在某一特定波長下進(jìn)行圖像的及時(shí)采集。機(jī)載電源模塊和機(jī)載配屬設(shè)備用于為設(shè)備的正常工作、系統(tǒng)無線控制等提供保障。

地面控制單元包括系統(tǒng)控制軟件和機(jī)載無線通信裝備，用于在地面上與設(shè)備進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)地對(duì)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)。系統(tǒng)控制軟件基于地面任務(wù)控制計(jì)算機(jī)的地面控制軟件，通過無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路完成指令和數(shù)據(jù)的上傳和下達(dá)，主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備與機(jī)載成像控制器的通信、光譜調(diào)制模塊參數(shù)設(shè)置和讀取、相機(jī)工作狀態(tài)和參數(shù)設(shè)置、圖像數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存、成像過程控制等功能。視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換單元將pal或hdmi視頻轉(zhuǎn)換成序列數(shù)字圖像，并按照指定的命名方式進(jìn)行存儲(chǔ)。視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換單元可將下傳的pal制式或hdmi制式視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成序列數(shù)字bmp圖像，并保存在在指定文件夾中。

圖像處理分析系統(tǒng)主要包括光譜圖像處理軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)、圖像合成、圖像自動(dòng)分類等功能。光譜圖像處理分析軟件可根據(jù)載荷所采集的影像數(shù)據(jù)尤其是每個(gè)像點(diǎn)的光譜曲線數(shù)據(jù)，來區(qū)分不同種物質(zhì)或?qū)⑼N物質(zhì)歸為一類。該軟件系統(tǒng)分析、處理光譜曲線數(shù)據(jù)的能力將直接影響載荷所采集數(shù)據(jù)的利用程度和后期檢驗(yàn)結(jié)果的質(zhì)量。本實(shí)施方案中原始圖像分析處理軟件基于商用envi光譜圖像處理軟件進(jìn)行二次開發(fā)。

本發(fā)明的機(jī)載光譜成像系統(tǒng)特點(diǎn)在于基于液晶可調(diào)濾光器實(shí)現(xiàn)入射光的光譜電控時(shí)域調(diào)制。圖2是本發(fā)明的液晶光譜調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖，液晶光譜控制器包括8片液晶波片(lc1、lc2、lc3、lc4、lc5、lc6、lc7、lc8)、8片偏振片(p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7、p8)和5片固定相位延遲片(r1、r2、r3、r4、r5)。其中l(wèi)c1～lc8快軸方向與參考水平方向夾角θ為45°；8片偏振片相互平行排列，透射方向與參考水平方向夾角為90°；5片固定相位延遲片的快軸方向與參考水平方向夾角為45°，5片固定相位延遲片的相位延遲量根據(jù)液晶波片的雙折射率差δn和級(jí)聯(lián)級(jí)數(shù)進(jìn)行確定。

液晶光譜調(diào)制器的光譜分光工作原理：主要為液晶利奧構(gòu)型，由平行排列的許多級(jí)級(jí)聯(lián)而成，每一級(jí)包含兩個(gè)相互平行的偏振片，中間夾著由液晶波片和固定相位延遲片組成的光學(xué)雙折射率單元。入射光進(jìn)入第一級(jí)偏振片時(shí)，入射光分解為沿光學(xué)雙折射率單元兩個(gè)晶軸相同的分量，通過改變施加在光學(xué)雙折射率單元上的電壓可以引起其中一個(gè)晶軸上的折射率的變化，兩分量間的相位延遲量產(chǎn)生相位差，在出射偏振片上，兩分量重新組合為一個(gè)偏振態(tài)。兩分量間的相對(duì)延遲與波長有關(guān)，因此利奧構(gòu)型單元可以選擇透過的波長。通過將多級(jí)利奧構(gòu)型單元進(jìn)行級(jí)聯(lián)，并按照規(guī)律改變每一級(jí)的加載電壓，從而實(shí)現(xiàn)光譜分光功能。

圖3是本發(fā)明的機(jī)載光譜成像系統(tǒng)圖像處理分析單元中的地面控制單元光譜圖像處理軟件檢測流程圖。首先建立或載入目標(biāo)特征數(shù)據(jù)庫，為目標(biāo)識(shí)別建立對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)；然后載入下傳或事后導(dǎo)出并保存有光譜圖像的文件夾；將載入的系列光譜圖進(jìn)行配準(zhǔn)，識(shí)別測試數(shù)據(jù)，并與事先載入的特征數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)光譜圖像的分類和判讀，并最終將結(jié)果顯示出來。本圖像處理軟件檢測流程為循環(huán)處理流程，只有當(dāng)接收到結(jié)束命令后，檢測流程才會(huì)跳出。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對(duì)這些實(shí)施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實(shí)施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。