一种多光谱三维成像系统的制作方法

本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种多光谱三维成像系统。

背景技术：

在空间载体中装上各种有效的传感器来获取地球或其它星球面、周围大气及地表下有限深度的信息，再采用数据处理技术，从而得到人们所需要的信息，这一整套技术称之为空间遥感。目前所使用的传感器已不下百种，其波段由x射线、真空紫外、可见光、近红外、远红外一直到微波波段。

多光谱成像技术是上世纪60年代初期出现的一种遥感技术，其波段范围及波段数的选择与应用目标直接相关，通过获得地物几个或更多波段的光谱信息，实现目标空间信息、辐射信息、光谱信息的同步获取，能够提高对目标特性的综合探测感知与识别，极大地扩展了遥感探测技术的目标分辨、监测能力。

三维立体成像技术的研究在国际上始于八十年代初期，随后广泛应用于城市高程信息提取、森林覆盖或困难地区的地形测绘、dtm获取、海洋测深和环境监测等方面，它同微波合成孔径雷达、光谱成像技术一起成为目前空间遥感中最主要的信息获取手段。

在80年代，德国首先开展了meoss试验,随后制定了moms-01和moms-02计划,研制多光谱成像系统和多相机立体成像系统。日本在其发射的地球资源卫星1号上装载的光学传感器系统,包括微波合成孔径雷达、多光谱扫描成像设备和立体成像设备,立体成像设备的地面分辨率的设计指标为18m。法国在spot-4计划中,要在卫星上装两套与航向垂直的方向形成立体图像的高几何分辨率的立体成像设备，其地面分辨率可达5m。

显然在遥感平台中，为了全方位获取精确的目标信息，一般会同时搭载多个不同功能的光学载荷，常见的包括立体相机、多光谱相机和偏振成像仪等。其中，立体相机用于获取目标的高分辨率三维立体信息，成像光谱仪用于探测目标的物化属性信息，偏振成像仪用于判别目标的纹理特征属性。这种积木组合型的遥感方式具有显而易见的缺点。首先，多个载荷的组合结构降低了整个载荷系统的稳定性，同时也会引起体积和重量上的成倍累积，从而增加了遥感平台的搭载负荷；其次，不同光轴的载荷相互之间具有视角上的偏差，这在后续的数据处理中需要对每个载荷的图像进行视角校正和配准，不可避免的会增加多种遥感信息之间的融合误差，降低探测目标的识别率；最后，某些特定载荷如成像光谱仪或偏振成像仪本身在原理上决定了其需要采用推扫或凝视成像的方式，这对飞行平台的稳定性提出了非常高的要求，同时也限制了飞行器自身的飞行路线和飞行姿态。

传统遥感成像技术的这些限制不仅影响了光电载荷本身的进一步应用，同时在一定程度上也制约了飞行器本身的发展方向。

近年来，飞机作为最主要的航空遥感平台，逐渐向轻小、快速、灵活、智能型的无人机方向发展，这就对遥感载荷提出了新的需求：不仅要在体积和重量上满足飞机的搭载能力，同时要在应用环境上适应平台稳定性和飞行姿态变化，还要在侦察性能上具有较高的目标识别能力。因此，为了适应新型遥感平台的快速发展和搭载需求，光学成像遥感器的高集成度、小型化、轻量化受到高度重视，急需研究与飞行器同步应用的新型光电载荷技术。但是目前还没有出现一种能够同时实现目标多光谱信息和立体三维信息同时获取的遥感仪器。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种多光谱三维成像系统，具有对目标三维立体信息和光谱特性综合探测的能力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种多光谱三维成像系统，包括：成像物镜以及三个相同结构的多光谱面阵探测器；其中：

所述成像物镜实现目标成像的功能；三个多光谱面阵探测器分别前视、直视和后视放置，利用遥感平台的运动，自动实现在航向方向的扫描，获取目标三个视角的图像信息，再通过后续的重构和处理操作，来得到地面的立体图像；

每一多光谱面阵探测器均由滤光片阵列及面阵探测器组成；滤光片阵列放置在面阵探测器靶面前，滤光片阵列的每个条带滤光膜只能通过相应谱段的图像，不同视场经过各个条带滤光膜滤波，在面阵探测器上获取的是相应视场的不同光谱信息；对于单个多光谱面阵探测器，利用遥感平台飞行推扫，边缘视场移动至面阵探测器的像面中心，再次曝光将获取该目标的另外一个谱段信息，从而获得目标各个谱段的完整数据。

得到地面的立体图像的计算过程包括：

首先，对三个多光谱面阵探测器分别进行对应的多帧图像视场拼接，就能获取目标各谱段的完整的前视、直视和后视三种图像信息；

根据立体测绘中的共线方程：

上式中，f为成像物镜的焦距；xj，yj和zj为目标上某一点j的真实坐标位置，是待求解的未知数；xst，yst和zst为在时刻t成像时的遥感平台的坐标位置，对于前、直、后视三个多光谱面阵探测器有三组不同的值；a1t,a2t,a3t，b1t,b2t,b3t及c1t,c2t,c3t是时刻t时的遥感平台三个轴的角元素φit,ωit和kit所构成的9个方向余弦；而xt和yt为目标点j相应的像点坐标位置；

将上式改写为：

三个多光谱面阵探测器获取目标各谱段的完整的前视、直视和后视三种图像信息，对应目标点j成像时的时间各不相同；将三个视角的图像信息中像点坐标位置xt和yt，遥感平台的坐标位置xst,yst和zst及9个方向余弦值代入上式，即可写出6个联立方程，再用最小二乘法求解目标点j的坐标位置xj，yj和zj，最终得到地面的立体图像。

成像物镜与任一多光谱面阵探测器配合构成一个完整的滤光片阵列式多光谱相机，能够采集目标各个谱段的完整数据；

其中，通过成像物镜后的每一目标像经过滤光片阵列相应条带滤光，形成相应的目标条带像；相应公式如下：

假设滤光片阵列上n个条带的光谱透过率函数分别为：t1(λ)、t2(λ)....tn(λ)；目标像为o(x,y,λ)，则第i个条带对应的目标像为：

上式中，假设飞行方向沿着y轴，yi表示目标像在第i个条带处的中心位置坐标，a表示第i个条带的宽度；λ表示波长；

则第i个条带对应的目标像的目标条带像为：

ii(x,y,λ)＝ti(λ)×oi(x,y,λ)。

所述最终获得目标的完整数据的公式为：

滤光片阵列中每一条带的光谱透过率函数近似为一个高斯函数：

其中，tp是光谱透过率曲线的峰值透过率，λc是透过谱段的中心波长，σ是波形的方差。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，采用滤光片阵列的多光谱三维成像技术，将光谱成像技术和立体成像技术有机结合，具有对目标三维立体信息和光谱特性综合探测的能力；另外，由于滤光片阵列的光谱成像原理简单，具有高集成度，结构紧凑，重量轻便，工作可靠，稳定性高的优点，降低了仪器对平台姿态稳定度的要求，能很好的满足航空遥感应用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种多光谱三维成像系统的原理图；

图2为本发明实施例提供的多光谱获取原理图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例

目前各种遥感仪器对于目标多光谱信息和三维立体信息获取都是通过单独的多光谱相机和立体测绘相机实现，体积过于庞大复杂。因此为了满足航空遥感的应用需求，本发明提出一种采用滤光片阵列的多光谱三维成像系统，将光谱成像技术和立体成像技术有机结合，具有对目标三维立体信息和光谱特性综合探测的能力。三维多光谱成像原理示意图如图1所示。整个多光谱三维成像系统依次由成像物镜1、三个多光谱面阵探测器2、3、4组成。成像物镜1实现对目标成像的功能；多光谱面阵探测器是本方案的关键元件，实现对目标光谱的视场分割，记录各谱段信息。三个多光谱面阵探测器，分别前视、直视和后视放置，利用遥感平台的运动,自动实现在航向方向的扫描，获取目标三个视角的信息，再经过后续重构和处理操作，可以得到地面的立体图像。同时对于单个多光谱面阵探测器，利用平台飞行推扫，获得目标的完整的光谱数据。整个系统能够获取目标三维立体信息和光谱特性在内的四个维度信息。本系统集成度高，结构极为紧凑，重量轻便，工作可靠，稳定性高，降低了仪器对平台姿态稳定度的要求，能很好的满足航空遥感应用需求。

本发明实施例中，成像物镜与任一多光谱面阵探测器配合可构成一个完整的滤光片阵列式多光谱相机，能够采集目标各个谱段的完整数据；如图2所示，每一多光谱面阵探测器均由滤光片阵列5及面阵探测器6组成；滤光片阵列5放置在面阵探测器6靶面前，滤光片阵列5上沿着垂直于飞行的方向镀制多个不同谱段的滤光膜，滤光片阵列的每个条带滤光膜只能通过相应谱段的图像，面阵探测器的若干行像元对应一个光谱带，则整个面阵探测器6对应若干光谱带，而不同视场经过各个条带滤光膜滤波，在面阵探测器上获取的是相应视场的不同光谱信息，每次拍照获得某一区域目标的二维空间信息和不同视场对应不同的光谱信息。对于单个多光谱面阵探测器，利用遥感平台飞行推扫，边缘视场移动至面阵探测器的像面中心，再次曝光将获取该目标的另外一个谱段信息，从而获得目标各个谱段的完整数据。

成像物镜与任一多光谱面阵探测器配合可构成一个完整的滤光片阵列式多光谱相机,其光谱分辨率完全取决于各滤光片条带的光谱透过率曲线，假设滤光片阵列上n个条带的光谱透过率函数分别为：t1(λ)、t2(λ)….tn(λ)；目标像为o(x,y,λ)，则第i个条带对应的目标像为：

上式中，假设飞行方向沿着y轴，yi表示目标像在第i个条带处的中心位置坐标，a表示第i个条带的宽度；λ表示波长，x,y对应x轴、y轴坐标；

则第i个条带对应的目标像的目标条带像为：

ii(x,y,λ)＝ti(λ)×oi(x,y,λ)。

最终获得目标的完整数据的公式为：

滤光片阵列中每一条带的透过率曲线，在理想情况下形状为一个矩形函数。但是实际上在绝大多数情况下，检测出的光谱透过率函数近似为一个高斯函数：

其中，tp是光谱透过率曲线的峰值透过率，λc是透过谱段的中心波长，σ是波形的方差。

将上述两个式子相结合，可以得到最终公式为：

另一方面，在进行地面的立体图像计算时，利用三个多光谱面阵探测器分别进行对应的多帧图像视场拼接，就能获取目标各谱段的完整的前、直、后视三种图像信息，再进行相关计算，从而得到地面的立体图像；具体如下：

根据立体测绘中的共线方程：

上式中，f为成像物镜的焦距；xj，yj和zj为目标上某一点j的真实坐标位置，是待求解的未知数；xst，yst和zst为在时刻t成像时的遥感平台的坐标位置，对于前、直、后视三个多光谱面阵探测器有三组不同的值，由精密测轨得到；a1t,a2t,a3t，b1t,b2t,b3t及c1t,c2t,c3t是时刻t时的遥感平台三个轴的角元素φit,ωit和kit所构成的9个方向余弦，由遥感平台姿态的精密测量得到；而xt和yt为目标点j相应的像点坐标位置，由图像信息得到；

将上式改写为：

三个多光谱面阵探测器获取目标各谱段的完整的前、直、后视三种图像信息，对应目标点j成像时的时间各不相同；将三个视角的图像信息中像点坐标位置xt和yt，遥感平台的坐标位置xst,yst和zst及9个方向余弦值代入上式，即可写出6个联立方程，再用最小二乘法求解目标点j的坐标位置xj，yj和zj，最终得到地面的立体图像。

另外，基于上述多光谱成像系统的具体工作过程可以简述如下：

1)将目标区域划分为与滤光片阵列数一致的n个条带目标。

2)对于多光谱面阵探测器3，每一条带目标经过成像物镜成像，变换为其对应的目标像。

3)每一目标像再经过滤光片阵列相应条带滤光，形成最终的目标各条带像。

4)面阵探测器通过光电效应获取和记录各目标条带像的信息。

5)通过遥感平台飞行推扫，边缘视场移动至面阵探测器6的像面中心，再次曝光将获取该目标的另外一个谱段信息，从而获得目标直视时的各个谱段的完整数据。

6)同理，对于另外两个多光谱面阵探测器2、4，重复上述过程(1)～(5)，可以分别获得对应目标的另外两组前、后视数据。

7)利用目标各谱段的三组前、直、后视信息，经过数据处理得到目标各点的地面坐标，实现多光谱三维成像。

本领域技术人员可以理解，在系统实现时，所涉及的相关算法可以由外置或者内置的处理模块来完成，因而，系统图中并未示出相关处理模块。

本发明实施例上述系统，采用滤光片阵列的多光谱三维成像技术，将光谱成像技术和立体成像技术有机结合，具有对目标三维立体信息和光谱特性综合探测的能力；另外，由于滤光片阵列的光谱成像原理简单，具有高集成度，结构紧凑，重量轻便，工作可靠，稳定性高的优点，降低了仪器对平台姿态稳定度的要求，能很好的满足航空遥感应用需求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。