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)濟和國防建設(shè)的各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。目前大多數(shù)星載、機載遙感儀器，無論成像與否，是以獲取來自目標(biāo)不同波段的輻射強度進而推求目標(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)可同時獲取目標(biāo)的空間信息和光譜信息，其最突出的特點是能夠通過光譜分析鑒別材料的組成成分，進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行一維空間掃描，并通過拼接方式實現(xiàn)目標(biāo)空間信息的采集。該成像方式對無人機飛行姿態(tài)要求較為苛刻，而現(xiàn)有大多數(shù)小型無人機由于本身重量、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，本申請發(fā)明人在實現(xiàn)本申請發(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)小型無人機在高空中的飛行姿態(tài)無法滿足色散型機載光譜成像系統(tǒng)圖像拼接需求的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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

在成像平臺方面，小型無人機由于使用簡單，生存能力強、機動性好等特點，市場份額將占有絕對統(tǒng)治地位，基于小型無人機平臺的機載光譜成像系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用需求。本申請設(shè)計了一款小型化、模塊化、通用化、能夠滿足小型無人機平臺要求的機載光譜成像設(shè)備，可有效改善機載光譜成像系統(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載荷要求的機載光譜成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在大多數(shù)小型無人機(含多旋翼無人機和固定翼無人機)高空飛行環(huán)境下，實現(xiàn)工作波段覆蓋420nm-2500nm(分波段實現(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)特點包括以下部分：

光學(xué)成像單元包括擺鏡和成像物鏡兩個主要部分，位于整個光學(xué)系統(tǒng)的最前端，用于將被測目標(biāo)的光信號進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，用于實現(xiàn)對入射光進行光譜調(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模塊，用于對感興趣成像區(qū)域進行圖像采集和存儲模塊。圖像采集單元采用的圖像采集存儲模塊不僅能夠?qū)崿F(xiàn)不低于120mb/s的寫入速度，并能夠?qū)崿F(xiàn)實時pal制式模擬圖像或?qū)崟r壓縮數(shù)字圖像輸出。

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

地面控制單元包括系統(tǒng)控制軟件、機載無線通信裝備，用于在地面上與設(shè)備進行通信和數(shù)據(jù)傳輸，實時地對設(shè)備的工作狀態(tài)進行監(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)備進行通信和數(shù)據(jù)傳輸，實時地對設(shè)備的工作狀態(tài)進行監(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，用于對采集到的圖像進行圖像配準(zhǔn)、圖像合成、圖像自動分類等功能分析，并通過對采集到的光譜信息與數(shù)據(jù)庫中的信息進行比對，實現(xiàn)物體的分類識別。

本發(fā)明的工作原理為：地面控制單元通過機載飛控鏈路或數(shù)控鏈路向設(shè)備發(fā)送控制指令，機載控制單元根據(jù)指令通過輸出一組多通道的低壓交變信號，驅(qū)動光譜調(diào)制單元、圖像采集和存儲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)動控制器作用下，對來自景物的光信號進行光譜調(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對景物成像，圖像采集和存儲模塊將來自圖像傳感器的圖像信號在線存儲，同時輸出一路壓縮后的實時數(shù)字或模擬信號給機載數(shù)傳或圖傳設(shè)備，圖像處理軟件對事后導(dǎo)出的光譜圖像進行圖像配準(zhǔn)、圖像合成等功能分析，并通過對采集到的光譜信息與數(shù)據(jù)庫中的信息進行比對，實現(xiàn)目標(biāo)的光譜分析。

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

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

(1)系統(tǒng)采用模塊化簡潔化設(shè)計，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；

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

(3)電控時域光譜調(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本發(fā)明實施例的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明實施例的限定；

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。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種小型化凝視型機載光譜成像系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有的機載光譜成像系統(tǒng)存在的對無人機飛行姿態(tài)要求較為苛刻、無法適應(yīng)現(xiàn)有大多數(shù)小型無人機飛行姿態(tài)現(xiàn)狀的技術(shù)問題，實現(xiàn)了系統(tǒng)小型化輕量化，可搭載于小型飛行平臺的技術(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，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行進一步的詳細描述。需要說明的是，在相互不沖突的情況下，本申請的實施例及實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)的其他方式來實施，因此，本發(fā)明的保護范圍并不受下面公開的具體實施例的限制。

圖1是本發(fā)明的小型機載光譜成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，整機分成機上部分和地面控制部分，機上部分包括光學(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，通過機載飛控設(shè)備和數(shù)傳圖傳設(shè)備與機上設(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)焦組件用于對入射光進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)為本機載光譜成像系統(tǒng)的核心器件，用于實現(xiàn)入射光的光譜調(diào)制。由于本機載光譜成像系統(tǒng)要求適用于大多數(shù)小型無人機較差的飛行姿態(tài)，以及快速的光譜圖像下傳和處理，考慮到現(xiàn)有機載平臺的傳輸帶寬，本系統(tǒng)所用的光譜調(diào)制系統(tǒng)為液晶電控濾光器(lctf)，在本實施方案中，選用覆蓋420nm-2500nm(分波段實現(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lctf分光模塊進行精確溫控，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制式視頻信號輸出。在本實施方案中，所用圖像采集存儲模塊為定制產(chǎn)品，頭部探測器數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)線接口至機載電控單元內(nèi)的圖像采集及存儲模塊的圖像接口板，經(jīng)圖像還原至圖像數(shù)據(jù)存儲板。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)定與補償控制的其他監(jiān)控信號一并引至機載電控單元的機箱壁。

機載電控系統(tǒng)主要功能為實現(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。機載電控系統(tǒng)包括機載控制單位、機載電源模塊和機載配屬設(shè)備等。機載控制單元用于對lctf分光模塊和圖像傳感器的精確控制和時序精確匹配，從而實現(xiàn)在規(guī)定的時間內(nèi)，在lctf工作在某一特定波長下進行圖像的及時采集。機載電源模塊和機載配屬設(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)控制軟件和機載無線通信裝備，用于在地面上與設(shè)備進行通信和數(shù)據(jù)傳輸，實時地對設(shè)備的工作狀態(tài)進行監(jiān)控和調(diào)節(jié)。系統(tǒng)控制軟件基于地面任務(wù)控制計算機的地面控制軟件，通過無人機數(shù)據(jù)鏈路完成指令和數(shù)據(jù)的上傳和下達，主要實現(xiàn)設(shè)備與機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行存儲。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，實現(xiàn)對采集到的圖像進行圖像配準(zhǔn)、圖像合成、圖像自動分類等功能。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)尤其是每個像點的光譜曲線數(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結(jié)果的質(zhì)量。本實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行二次開發(fā)。

本發(fā)明的機載光譜成像系統(tǒng)特點在于基于液晶可調(diào)濾光器實現(xiàn)入射光的光譜電控時域調(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和級聯(lián)級數(shù)進行確定。

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級聯(lián)而成，每一級包含兩個相互平行的偏振片，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。入射光進入第一級偏振片時，入射光分解為沿光學(xué)雙折射率單元兩個晶軸相同的分量，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偏振態(tài)。兩分量間的相對延遲與波長有關(guān)，因此利奧構(gòu)型單元可以選擇透過的波長。通過將多級利奧構(gòu)型單元進行級聯(lián)，并按照規(guī)律改變每一級的加載電壓，從而實現(xiàn)光譜分光功能。

圖3是本發(fā)明的機載光譜成像系統(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)識別建立對比標(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行配準(zhǔn)，識別測試數(shù)據(jù)，并與事先載入的特征數(shù)據(jù)庫進行對比，實現(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，檢測流程才會跳出。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，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，則可對這些實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)人員可以對本發(fā)明進行各種改動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和變型在內(nèi)。