专利名称：一种适用于野外遥感的便携式地面高光谱成像光谱仪的制作方法
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语成像光谱仪，适用 于野外作业时，地面对地的高光语遥感探测,属于高光镨成像探测技术领域。
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，釆用单点测量方式，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语仪，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 式光语成像系统，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，在光镨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 地野外高光语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语成像光镨仪，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 了仪器光语响应的不一致。
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 语成像光语仪，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语分光；
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 lEEE1394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；成像光谙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，仪器的光学系统釆用固定焦距的方式，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 )釆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，增强仪器操作的筒便性。
(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。
图1为本发明的结构组成框图2为本发明的优化积分时间算法流程图3为本发明的工作流程图；
具体实施例方式
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；图像釆集模块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进行图像荻取，并通过 lEEE1394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—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
<formula>formula see original document page 8</formula>其中，"W为灰度值，^为积分时间，尺为比例系数，"C为暗电流， 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<formula>formula see original document page 8</formula>(5)式为最终的响应模型。其中，为杂散光和暗电流噪声，"A^为
杂散光带来的^W值，^为杂散光比例系数，^x: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。在未加栽射频驱动信号的情况下，选择一组积分时 间"作为样本，拍摄多幅图像，分别求取平均灰度值"w"。加，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、+^和^^'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)中得到的和4*的值带入公式(5 )中，通过设置一定的积分时间"得到相
应的平均灰度值"w，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DW ,根据公式
(5)确定的响应模型，计算出最优的积分时间^p。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。
权利要求
1、一种适用于野外遥感的便携式地面高光谱成像光谱仪，其特征在于包括定焦镜头(1)、声光可调谐滤波器成像模块(2)、图像采集模块(5)、电源模块(8)、三脚架(11)；定焦镜头用于远距离目标聚焦成像，通过标准F接口与声光可调谐滤波器成像模块连接；声光可调谐滤波器成像模块(2)包括声光可调谐滤波器成像单元(3)和声光可调谐滤波器驱动电路(4)，声光可调谐滤波器驱动电路输出频率可调的功率信号通过SMA射频接口驱动声光可调谐滤波器成像单元，控制分光波长，实现波长的可编程控制，声光可调谐滤波器成像单元(3)由声光可调谐滤波器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)按照优化好的积分时间进行图像获取，并通过IEE1394总线将图像数据传输至便携式计算机，便携式计算机(7)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，处理后的原始光谱数据以标准的BSQ高光谱数据格式存储在便携式计算机(7)硬盘上；电源模块(8)包括蓄电池组(9)和多路稳压电路(10)，蓄电池组(9)为声光可调谐滤波器驱动电路(4)和面阵图像传感器(6)供电，多路稳压器(10)一端与蓄电池组(9)的输出端连接，另一端分别与声光可调谐滤波器驱动电路(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)、声光可调谐滤波器成像模块(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。
2、 根据权利要求1所述的一种适用于野外遥感的便携式地面高光i普成 像光镨仪，其特征在于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。
3、 根据权利要求2所述的一种适用于野外遥感的便携式地面高光镨成 像光语仪，其特征在于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。
4、 根据权利要求1所述的一种适用于野外遥感的便携式地面高光语成 像光语仪，其特征在于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。
全文摘要
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。
文档编号G01J3/28GK101620008SQ200910089159
公开日2010年1月6日 申请日期2009年7月31日 优先权日2009年7月31日
发明者李旭东, 宣 程, 贾国瑞, 赵慧洁, 辉 邢 申请人:北京航空航天大学