专利名称：一种微型多模态遥感成像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及地理学研究中一种微型多模态遥感成像系统，它用于野外获取地面较
大范围的地物影像数据，属于自然地理系统技术领域。
(二)
背景技术：
遥感作为一种宏观、快速、真实、客观获取地球表面信息的有效手段，被越来越广 泛地运用于各个领域，其重要性也逐步得到认可。目前的传感器主要可以搭载在两种平台 上，即航天平台和航空平台。航天平台主要是以卫星为主，搭载的传感器主要有以下几个缺 点研制周期长、仪器大型化、造价昂贵、运行成本高、成像容易受到空气质量和气象条件的 影响、地面分辨率相对较低、不能做到准实时、成像受地球曲率的影响大等。航空平台主要 有飞机、飞艇、探空气球等。最近一段时期，由于各种传感器向着小型化、精密化、电子成像 等方向发展，使得基于无人机和无人飞艇的遥感技术得到了很快的发展，这主要得益于它 们具有以下几个优点造价低、研制周期短、安全性能好、轻便便于运输和携带、操作简单方 便、图像分辨率高变形小、实时性好等。鉴于以上一些优点，最近几年在无人机和无人飞艇 在抗震救灾、环境监测等领域得到广泛应用，而且收到了很好的效果。 由于无人飞机和无人飞艇的负载量和可使用空间有限，这就对搭载在其上的各种 传感器的重量和体积提出了要求。如何在控制遥感系统重量、体积和成本的前提下保证遥 感系统的性能成为仪器设计者们需要面对的问题。CCD(电荷藕合器件，Charge Coupled Device)成像技术的出现为这个问题的解决提供了一种有效的方式。小型化的CCD面阵成 像设备的分辨了已经可以达到百万、千万级像素或更高，具备了运用于航空遥感领域获取 高分辨率的对地观测数据影像的能力。我们这套多模态遥感成像系统正是基于以上这些问 题开发的一种小型、轻型、高分辨率、低功耗、多模态的多光谱成像系统。
(三)
发明内容
(1)目的 本发明的目的是提供一种微型多模态遥感成像系统，它克服了现有大型遥感系统 造价高、体积大、质量重、分辨率低，时效性差等不足，可搭载在飞机或飞艇，特别是无人机 和无人飞艇上，实时、灵活地获取高分辨率遥感数据。(2)技术方案 本发明一种微型多模态遥感成像系统，该系统由四个部分组成它们是图像数据 采集部分、图像数据传输部分、飞行姿态控制部分和数据存储与控制部分(见图1)。
所述图像数据采集部分(见图2)是由图像数据采集设备(见图3、图4)和供电设 备构成。它们之间的相对位置可根据空间灵活放置。两者之间的连接关系是供电设备通 过一根一转四的电源线与图像数据采集设备上相机机身后端的供电接口连接，同时对相机 进行供电。该图像数据采集设备由Basler scA1400-17gm相机(下简称相机)、相机镜头、 方形铝合金框架、滤光片转接环、波段可选的滤光片构成；相机镜头一端接相机机身前端，另一端接滤光片转接环后端，滤光片转接环包括两部分，即转接环碗和环形压环，两部件之 间通过精密螺丝扣连接；滤光片被滤光片转接环的转接环碗和环形压环两部分卡在中间； 相机通过侧面的螺丝扣用螺钉分两排平行固定到铝合金架上内壁上；相机通过内部软件控 制或者外部同步信号的触发，可以严格同步地获取不同波段的影像。该供电设备是12V的 蓄电池或是经过交流转直流后的电源； 所述图像数据传输部分主要是由四根数据传输线(千兆网网线)构成，四根传输 线的一端通过网线接口与相机后端的网线接口连接，四根传输线另一端通过一个并口合并 后与数据存储与控制部分的并口连接，在数据存储与控制部分内部，并口分别与四个网卡 连接。 所述飞行姿态控制部分(见图6)主要是由一套MTI-G姿态控制系统构成。它包 括MTI-G天线和MTI-G主体设备两部分，两部分之间通过数据线连接，MTI-G主体设备通过 另外一根数据线与工控机连接，将姿态数据传到电脑进行显示或保存，另外该连接线还可 以通过电脑为MTI-G供电。MTI-G主体设备内部集成了全球定位系统(GPS)、惯性测量单元 (InertialMeasurement Unit IMU)、石兹力计(Magnetometer)禾口静压仪(Static pressure)， 它是一个综合的姿态控制与处理系统；MTI-G天线是一个全球定位系统(GPS)接收天线，负 责接收GPS信号。 所述数据存储与控制部分(见图8)是由一台工业控制计算机(以下简称工控机) 和电源设备构成。该电源设备通过一根两相电源线与工控机连接。该工控机机箱采用钢结 构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力；机箱内有专用底板，底板上有4个PCI插槽，插四片 相机数据采集卡；机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力；工控机体积小、重量轻便 于携带，具体参数见表1、表2所示。该电源设备是24V蓄电池或是经过交流转直流后的电 源。 其中，该Basler scA1400-17gm相机的数量是4个； 其中，该相机镜头的数量是4个； 其中，该滤光片转接环的数量是4个； 其中，该滤光片的数量是4个； 其中，该方形铝合金框架的数量是1个。
(3)优点及功效 本发明一种微型多模态遥感成像系统，该系统构思科学，结构简单，制作容易，造 价低廉，便于携带。它较好地保证了四个相机相对位置关系的固定，光轴平行且同步成像； 几何配准方便，且保证得到同一地物同一时刻不同波段的信息；方便更换滤光片，满足不同 应用的需求；四台相机的成像参数(曝光时间、增益)可以实施调整，保证获得不同地物不 同光照条件下，高信噪比的影像；通过辐射定标实验后消除了由于相机不同和滤光片不同 造成的辐射亮度的不同；同步获取相机的姿态位置信息，可以对影像进行一般精度的几何 校正，满足一般运用的需求，也可以为影像的精确几何校正，为影像镶嵌提供很好的基础。 可以用在对地航拍和对地定量遥感领域。
图1本发明总体结构示意图
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图2图像数据采集部分立体示意图 图3图像数据采集设备顶部示意图 图4图像数据采集设备侧面平面图 图5相机平面示意图 图6MTI-G示意图 图7MTI-G与铝合金框架相对位置示意图 图8数据存储与控制部分示意图 图中符号说明如下 1图像数据采集设备；212V供电设备；3 —转四电源线；4铝合金框架；5Basler scA1400-17gm相机；6数据采集设备固定板；7相机电源线接口 ；8相机数据传输线接口 ；9
相机镜头；10滤光片转接环；11相机机身；12滤光片；13相机固定螺丝；14镜头调节固定
螺丝；15MTI-G主体设备；16MTI-G天线；17MTI-G数据线接口 ；18MTI-G天线接口 ；19 24V 电源设备；20工控机；21 24V电源线；22并口
具体实施例方式
如图1所示，本发明一种微型多模态遥感成像系统，是由图像数据采集部分，图像 数据传输部分、飞行姿态控制部分和数据存储与控制部分组成。 所述图像数据采集部分包括图像数据采集设备1(见图2)禾P12V供电设备2构成， 两者的位置没有硬性的限制，可根据平台空间大小灵活安置。12V供电设备2通过一根一转 四电源线3与图像数据采集设备1连接并为之供电。图像数据采集设备1外部是一个方形 的铝合金框架4，四个Basler scA1400-17gm相机5 (下面简称相机5)(见图5)通过侧面的 相机固定螺丝13分两排，平行地固定在铝合金框架4的内壁上，铝合金框架4的外部正对 的两侧有两片数据采集设备固定板6，用来把数据采集设备1固定在某种平台上。每个相 机5由相机机身11、相机镜头9，滤光片转接环10、滤光片12组成。相机机身11后端有两 个接口 相机电源线接口 7和数据传输线接口 8，相机电源线接口 7接12V供电设备2，相机 数据传输线接口 8将采集到的图像数据通过数据传输线输出给数据存储与控制部分(见图 1)。相机机身11前端是精密的螺丝扣用来和相机镜头9后端螺丝扣连接，相机镜头9前端 内壁有螺丝扣，用来与滤光片转接环10后端外壁的螺丝扣连接。滤光片转接环10由两部 件构成转接环碗和环形压环，两部件之间通过精密螺丝扣连接，滤光片12被卡在转接环 碗和环形压环两部分之间。12V供电设备2可以是12V蓄电池也可以是经由交流转直流后 的电源。 所述图像数据传输部分主要是由四根数据传输线(千兆网网线)组成，数据传输 线连接相机5—端接有水晶头，分别与四个相机5后端的相机数据传输线接口 8连接。数 据传输线连接数据存储与控制部分一端是按一定的排线顺序与一个并口 22连接，通过并 口 22连接到数据存储与控制部分的数据输入接口。 所述飞行姿态控制部分(见图6)由MTI-G姿态控制系统构成，它包括MTI-G天 线16和MTI-G主体设备15。 MTI-G天线16通过一根数据线连接MTI-G主体设备15上的 MTI-G天线接口 18，将天线接收到信号传给MTI-G主体设备15。 MTI-G主体设备15通过一 个支架固定到图像数据采集设备1的铝合金框架4上，位于两排相机之间空间的正中心，既不影响相机数据传输线和12V电源线2的安装又与铝合金框架4的几何中心位于一条垂 直线上(见图7)，保证有效记录图像数据采集设备1获取图像数据时相机5的姿态信息。 MTI-G主体设备15所标示的X轴方向要与飞行器的前进方向保持一致。MTI-G天线16应 该安置在飞行器上天顶角45度范围内无遮挡的地方，以保证可以接收到不少于4颗GPS卫 星的、稳定的GPS信号。姿态控制部分通过一根连接MTI-G主体设备15上MTI-G数据线接 口的17专用数据线与工控机20连接，将姿态数据传到工控机20，并从电脑获取供电保障。
所述数据存储与控制部分(见图8)，它含工控机20与24V电源设备19，工控机20 和24V电源设备通过一根24V电源线21连接。工控机20机箱采用钢结构，有较高的防磁、 防尘、防冲击的能力；机箱内有研华生产的专用主板和底板，底板上有4个PCI插槽，插四片 相机数据采集卡，通过并口 22与数据传输部分连接，四个采集卡分别接收四个相机5采集 到的图像数据，并把图像数据传给存储器保存；机箱内有专用电源，电源有较强的抗干扰能 力；工控机20体积小、重量轻便于携带，具体参数见表1、表2所示。工控机20的24V电源 设备19可以是24V的蓄电池或者是经由交流转直流后的电源。
表1工控机配置单
商品名称规格(配置)备注
研华主板PCM-9590FG,板载Dual Core 2. 0G的CPU,双千兆 网，2G内存1、 两个串口 2、 USB*3，通过一个 DB9接出；
硬盘笔计本硬盘250G,带减震措施。双网卡PCI-104接口的网络扩展卡；10/100M自适应，双网卡3、四个网口通过DB25 接出；
机箱修改机箱以安装100W直流12V输入电源，及特殊接 线改动
表2主板详细技术性能表
序号性能指标
1Embedded Intel Core 2 Duo CPU (2 MB L2 cache)
2Up to 4 GB DDR2 SODI丽(support FSB 533/667 MHz)
3Integrate Intel Graphics Media Accelerator (GMA) 950
4Supports Dual independent display (36-bit LVDS + VGA)
5Supports two Ethernet up to 10/100/1000 Mbps
6One PCI-104， one PCIe xl6， one mini PCI
7Supports six USB 2. 0 ports
8Supports four COMs
9Two SATAII Ports (300MB/s)
1016-bit GPIO
权利要求
一种微型多模态遥感成像系统，其特征在于该系统由四个部分组成它们是图像数据采集部分、图像数据传输部分、飞行姿态控制部分和数据存储与控制部分；它们之间的相对位置，可根据空间灵活放置；所述图像数据采集部分是由图像数据采集设备和供电设备构成；两者之间的连接关系是供电设备通过一根一转四的电源线与图像数据采集设备上相机机身后端的供电接口连接，同时对相机进行供电；该图像数据采集设备由Basler scA1400-17gm相机、相机镜头、方形铝合金框架、滤光片转接环、波段可选的滤光片构成；相机镜头一端接相机机身前端，另一端接滤光片转接环后端，滤光片转接环包括转接环碗和环形压环两部件，两部件之间通过精密螺丝扣连接；滤光片被滤光片转接环的转接环碗和环形压环两部分卡在中间；相机通过侧面的螺丝扣用螺钉分两排平行固定到铝合金架上内壁上；相机通过内部软件控制或者外部同步信号的触发，可以严格同步地获取不同波段的影像；该供电设备是12V的蓄电池；所述图像数据传输部分主要是由四根数据传输线即千兆网网线构成，四根传输线的一端通过网线接口与相机后端的网线接口连接，四根传输线另一端通过一个并口合并后与数据存储与控制部分的并口连接，在数据存储与控制部分内部，并口分别与四个网卡连接；所述飞行姿态控制部分是由一套MTI-G姿态控制系统构成，它包括MTI-G天线和MTI-G主体设备两部分，两部分之间通过数据线连接；MTI-G主体设备通过另外一根数据线与工控机连接，将姿态数据传到电脑进行显示或保存，另外该连接线还可以通过电脑为MTI-G供电；MTI-G主体设备内部集成了全球定位系统、I惯性测量单元、磁力计和静压仪，它是一个综合的姿态控制与处理系统；MTI-G天线是一个全球定位系统接收天线，负责接收GPS信号；所述数据存储与控制部分是由一台工业控制计算机和电源设备构成；该电源设备通过一根两相电源线与工控机连接；该工控机机箱采用钢结构；机箱内有专用底板，底板上设置有插四片相机数据采集卡的4个插槽；机箱内有较强抗干扰能力的专门电源；该电源设备是24V蓄电池。
2. 根据权利要求1所述的一种微型多模态遥感成像系统，其特征在于该BaslerscA1400-17gm相机的数量是4个。
3. 根据权利要求1所述的一种微型多模态遥感成像系统，其特征在于该相机镜头的数量是4个。
4. 根据权利要求1所述的一种微型多模态遥感成像系统，其特征在于该滤光片转接环的数量是4个。
5. 根据权利要求1所述的一种微型多模态遥感成像系统，其特征在于该滤光片的数量是4个。
6. 根据权利要求1所述的一种微型多模态遥感成像系统，其特征在于该方形铝合金框架的数量是1个。
7. 根据权利要求1所述的一种微型多模态遥感成像系统，其特征在于该供电设备是经过交流转直流后的电源。
8. 根据权利要求1所述的一种微型多模态遥感成像系统，其特征在于该电源设备是经过交流转直流后的电源。
全文摘要
本发明一种微型多模态遥感成像系统，是由图像数据采集部分、图像数据传输部分、飞行姿态控制部分和数据存储与控制部分组成；它们之间的位置可根据空间灵活放置。所述图像数据采集部分是由图像数据采集设备和供电设备构成；所述图像数据传输部分是由四根数据传输线构成；所述飞行姿态控制部分是由一套MTI-G姿态控制系统构成；所述数据存储与控制部分是由一台工业控制计算机和供电设备构成。该系统构思科学，结构简单，它克服了现有大型遥感系统造价高、体积大、质量重、分辨率低，时效性差等不足，可搭载在飞机或飞艇，无人机和无人飞艇上，实时、灵活地获取高分辨率遥感数据。它在自然地理系统技术和遥感领域内具有广泛地实用价值和应用前景。
文档编号G01S7/48GK101726732SQ20091024262
公开日2010年6月9日 申请日期2009年12月11日 优先权日2009年12月11日
发明者刘强, 刘志刚, 吴军, 周公器, 张云, 张吴明, 张立新, 李波, 杨胜天, 穆晓东 申请人:北京师范大学