一种适用于野外遥感的便携式地面高光谱成像光谱仪

摘要

一种适用于野外遥感的便携式地面高光谱成像光谱仪，由定焦镜头、声光可调谐滤波器成像模块、图像采集模块、电源模块、三脚架组成，声光可调谐滤波器成像模块包括声光可调谐滤波器成像单元和声光可调谐滤波器驱动电路，声光可调谐滤波器成像单元由声光可调谐滤波器和相应的成像光学系统组成，声光可调谐滤波器驱动电路完成波长的可编程选择控制；图像采集模块包括面阵图像传感器和便携式计算机，面阵图像传感器进行图像获取，便携式计算机对拍摄时间进行控制和图像采集，采集后的数据以标准的高光谱数据格式存储在便携式计算机硬盘上；电源模块由蓄电池组和多路稳压电路组成；三脚架用来放置和固定声光可调谐滤波器成像模块和图像传感器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于野外遥感的便携式地面高光谱成像光谱仪，适用于野外作业时，地面对地的高光谱遥感探测，属于高光谱成像探测技术领域。

背景技术

目前，用于野外地面高光谱测量的成像仪大多为非成像型，分光元件以光栅为主，采用单点测量方式，比较著名的是美国分析光谱设备(ASD)公司的FieldSpec系列便携式高光谱光纤光谱仪，而传统的成像光谱仪大多采用推扫式或者摆扫式工作方式，分光原理主要为棱镜、光栅分光或者干涉分光型，这些分光原理的光谱仪需要运动部件，体积、功耗较大，不适合轻便、低功耗、便携的地面对地野外高光谱成像探测。不同于传统的推扫式和摆扫式光谱成像系统，AOTF(声光可调谐滤波器)光谱分光没有运动部件，波长切换时间短，波长的选择采用电控，属于轻量化、低功耗的成像高光谱分光元件，非常适合用于野外地面光谱测量。非成像方式的AOTF光谱系统在生物、医疗等领域已经有了较为成熟的应用，用于特定光谱的定性分析和检测。基于AOTF的光谱成像系统已有用于近距离光谱测量的实例，由于光强的透过率很大程度上受AOTF衍射效率的制约，加上图像传感器在不同波长范围的量子效率的不同，造成不同波段的光谱响应存在较大的不一致，在光谱分辨率较高的情况下影响尤为明显，当用于野外遥感测量时，由于受到外部环境的制约，在很大程度上影响数据的信噪比和动态范围，给后续的应用处理带来了较大的难度。结合AOTF本身特点，设计适合地面对地野外高光谱成像遥感探测的便携式仪器，具有重要的实用价值。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于野外遥感探测的便携式地面高光谱成像光谱仪，该仪器具有轻量化、操作简便、便携性好的特点，特有的优化积分时间方法和拍摄模式的分类，有效的补偿了仪器光谱响应的不一致。

本发明的技术解决方案是：一种适用于野外遥感探测的便携式地面高光谱成像光谱仪，其特征在于包括下列部分：包括定焦镜头、声光可调谐滤波器(Acousto-optic Tunable Filter，AOTF)成像模块、图像采集模块、电源模块、三脚架，

定焦镜头，用于远距离目标聚焦，通过标准F接口与AOTF成像模块连接；

AOTF成像模块，包括AOTF成像单元和AOTF驱动电路，AOTF驱动电路输出频率可调的功率信号通过SMA射频接口驱动AOTF成像单元，控制AOTF的分光波长，实现波长的可编程控制，控制信号由便携式计算机通过USB总线提供，AOTF成像单元由AOTF和用于光学成像的前置和后置光学系统组成，在驱动信号的作用下进行光谱分光；

图像采集模块，包括面阵图像传感器和便携式计算机，面阵图像传感器按照优化好的积分时间进行图像获取，并通过IEEE1394总线将图像数据传输至便携式计算机，便携式计算机根据所选的拍摄模式，采用优化积分时间的方法对各个波段的拍摄时间进行控制，并进行数据采集；

电源模块，由蓄电池组和多路稳压电路组成，与AOTF驱动电路和面阵图像传感器相连，为其提供所需的直流工作电压；

三脚架用来放置和固定AOTF成像模块和图像采集模块中的面阵图像传感器，同时用于仪器高度和姿态的调整。

本发明的原理是：根据拍摄场景的拍摄距离和视场范围，选择合适焦距的镜头，利用便携式计算机运行仪器系统软件对整个采集过程进行初始化，设置相关控制参数，包括面阵图像传感器的增益、偏置、量化位数、采集波段列表、显示和存储方式等；然后利用优化积分时间的方法计算出各波段所需的积分时间的最优值；便携式计算机运行仪器系统软件选择合适的拍摄模式，通过USB总线控制AOTF驱动电路对AOTF进行波长选择，AOTF驱动电路根据相应的控制字通过SMA接口发送相应频率的驱动信号至AOTF，当收到AOTF驱动电路反馈的“波长选择完成”信号后，通过IEEE1394总线控制面阵图像传感器进行数据采集，采集后的数据通过IEEE1394总线传输至便携式计算机；成像光谱数据伴随着仪器工作的采集参数记录和工作日志文件存储在便携式计算机硬盘上。

其中，所述的图像采集模块采用优化积分时间的方法对不同波段的积分时间分别进行优化控制，根据实际拍摄场景，现场优化积分时间，得到各个波段所需的最佳积分时间。

其中，根据拍摄环境和拍摄地物的差异，设置不同的拍摄模式，利用优化积分时间的方法得到不同模式下各波段所需的最佳积分时间，并将不同的拍摄模式对应的最佳积分时间以查找表的形式固化在仪器的系统软件中，实际野外作业时，选择合适的拍摄模式进行数据采集。

其中，仪器的光学系统采用固定焦距的方式，配备多个不同焦距的定焦镜头，根据拍摄距离的差异，选取安装不同焦距的定焦镜头，镜头的物距固定在无穷远处。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)采用优化积分时间方法通过现场的动态测量得到各个波段所需的最佳积分时间，从而补偿由于AOTF衍射效率、图像传感器量子效率等因素造成的系统光谱响应的不一致，提高数据的动态范围和数据处理的精度。

(2)根据野外拍摄环境和拍摄地物的差异，设置不同的拍摄模式，并将不同的拍摄模式对应的最佳积分时间以查找表的形式固化在仪器的系统软件中，从而避免了每次数据采集时对积分时间的重新优化，减小了仪器现场操作的复杂性。

(3)光学系统采用固定焦距的方式，配备多个不同焦距的定焦镜头，根据拍摄距离的差异，选取安装不同焦距的望远镜头，镜头的物距固定在无穷远处，增强仪器操作的简便性。

(4)面阵图像传感器通过IEEE1394总线与便携式计算机连接，无需专门的图像采集卡，AOTF驱动电路通过USB总线与便携式计算机连接。仪器的放置与固定采用三脚架装置，所述特征使得仪器具有轻量化、便携性好的特点。

附图说明

图1为本发明的结构组成框图；

图2为本发明的优化积分时间算法流程图；

图3为本发明的工作流程图；

具体实施方式

如图1所示，本发明包括定焦镜头1、AOTF成像模块2、图像采集模块5、电源模块8，三脚架11，其中，定焦镜头用于远距离聚焦成像，通过标准F接口与AOTF成像模块连接；AOTF成像模块2由AOTF成像单元3和AOTF驱动电路4组成，AOTF驱动电路通过SMA射频接口输出频率可调的功率信号驱动AOTF成像单元中AOTF的压电换能器，控制AOTF的分光波长，AOTF成像单元3由AOTF和用于光学成像的前置和后置光学系统组成，在驱动信号的作用下进行光谱分光；图像采集模块5包括面阵图像传感器6和便携式计算机7，面阵图像传感器6进行图像获取，并通过IEEE1394总线将图像数据传输至便携式计算机，便携式计算机7根据所选的拍摄模式，采用优化积分时间的方法对各个波段的拍摄时间进行调节并控制仪器进行成像光谱数据采集；电源模块8包括蓄电池组9和多路稳压电路10，多路稳压电路10一端与蓄电池组9的输出端连接，另一端分别与AOTF驱动电路4和面阵图像传感器6的电源输入端连接，对蓄电池组的输出电压进行稳压；三脚架11用来放置和固定定焦镜头1、AOTF成像模块2和图像采集模块5中的面阵图像传感器6，同时用于仪器高度和姿态的调整。

如图2所示，本发明的图像采集模块中优化积分时间的算法是基于图像传感器的线性响应模型设计的。基本原理如下：首先对图像传感器的线性度进行标定，标定后的图像传感器满足在相同条件下，积分时间和图像灰度值(DN)成正比，建立图像灰度值与积分时间之间的线性响应关系，线形模型表示为：

DN＝K·t_exp+DC

(1)

DC＝k_DC·t_exp+A_offset

(2)

其中，DN为灰度值，t_exp为积分时间，K为比例系数，DC为暗电流，A_offset为暗电流偏置。由于AOTF中存在杂散光，杂散光没有经过AOTF滤波，并不随着衍射效率的变化而变化，因此需要把杂散光的影响加入线性响应中，杂散光引起的图像灰度值的变化也跟积分时间成正比，表示为：

DN_SL＝k_SL·t_exp                   (3)

DN_noise＝(k_SL+k_DC)·t_exp+A_offset  (4)

DN＝K·t_exp+DN_noise

＝(K+k_SL+k_DC)·t_exp+A_offset        (5)

(5)式为最终的响应模型。其中，DN_noise为杂散光和暗电流噪声，DN_SL为杂散光带来的DN值，k_SL为杂散光比例系数，k_DC为暗电流比例系数。

根据响应关系，具体的实现方法为：在视场内放置漫反射板，使漫反射板中心与视场中心重合。在未加载射频驱动信号的情况下，选择一组积分时间t_exp作为样本，拍摄多幅图像，分别求取平均灰度值DN_noise，用最小二乘直线拟合的方法拟合出公式(4)中杂散光的比例系数k_SL+k_DC和A_offset的值。然后在加载射频驱动信号的情况下，选择一个波长通道，把公式(4)中得到的k_SL+k_DC和A_offset的值带入公式(5)中，通过设置一定的积分时间t_exp得到相应的平均灰度值DN，计算加权平均，得到公式(5)中的系数K。从而得到公式(5)中该波长通道的亮度线性响应模型。转换波长通道，计算相应的线性响应比例系数，得到所需的不同波长下的亮度线性响应模型。

然后根据图像传感器的线性度确定最佳的亮度动态范围DN，根据公式(5)确定的响应模型，计算出最优的积分时间t_exp。不同波长通道下的最优积分时间均采用上述方法得到。便携式计算机根据优化后的各波段积分时间分别再对各波段进行采集控制。

如图2和图3所示，本发明的工作流程主要分为两部分：拍摄模式参数的设定和实际场景的数据采集。拍摄模式参数的设定方法是：依据外界环境和拍摄地物的不同，细化拍摄模式的分类，并利用优化积分时间的算法得到每种拍摄模式下各波段最优的积分时间，并以此作为不同拍摄模式下积分时间的选择依据。实际场景数据采集的具体工作流程为：首先根据大致的拍摄距离选择合适焦距的定焦镜头，并通过标准的F口与AOTF成像模块连接；进行仪器初始化，包括：选择采集模式，调整仪器通光孔径、面阵图像传感器增益和偏置、量化位数、合并模式等，选择波段采集范围，加载波长选择列表；然后开启AOTF驱动电路，通过便携式计算机的USB总线向AOTF驱动电路发送波长选择的控制字；便携式计算机按照所选拍摄模式下的各波段积分时间通过IEEE1394总线控制面阵图像传感器进行图像采集，采集后的图像通过IEEE 1394总线传输到便携式计算机，数据以标准的BSQ高光谱数据格式存储在便携式计算机的磁盘上；图像数据传输完成后，便携式计算机继续向AOTF驱动电路发送下一个波长选择的控制字，开始另一个波段数字采集的循环，直至所有波段的数据采集完毕；在光谱数据采集的同时，仪器采集时的各部件状态信息以工作日志的形式记录下来。