一种几何参数连续可调的室内高光谱检测装置的制作方法

本发明属于光谱检测技术领域，更具体地，涉及一种几何参数连续可调的室内高光谱检测装置。

背景技术：

高光谱成像检测技术是采用成像光谱仪，在光谱波长200-2500nm范围内利用数十或数百个光谱波段对目标物体进行连续成像，同时获取目标物体的二维图像信息和一维光谱信息，以实现物质成分的快速检测与分析。

当前，目标物体的高光谱数据获取手段主要包含三种方式：室内检测、室外采集和航空航天遥感。其中室内检测装置获取的环境(光照、大气扰动等因素)比室外更稳定、观测结果的重复性和稳定性更好，因此获得了广泛应用。然而，目前室内高光谱检测装置由于存在几何参数无法连续调节，以及单一卤素灯无法实现对立体目标的充分照明和多角度信号采集等问题，导致其适应性较差，检测精度不高。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供了一种几何参数连续可调的室内高光谱检测装置，由此解决现有的室内高光谱检测装置由于存在几何参数无法连续调节，以及单一卤素灯无法实现对立体目标的充分照明和多角度信号采集等问题，导致其适应性较差，检测精度不高的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种几何参数连续可调的室内高光谱检测装置，包括：高光谱相机(10)、高光谱滑块座(6)、高光谱滑轨(9)、角度定位盘、电动位移平台(15)、遮光罩(17)和处理模块(18)；

其中，所述角度定位盘包括第一卤素灯(1)、第一滑块座(4)、第一滑轨(5)、第二卤素灯(14)、第二滑块座(12)以及第二滑轨(13)；

所述高光谱相机(10)通过所述高光谱滑块座(6)安装在竖直放置的高光谱滑轨(9)上；所述第一卤素灯(1)通过所述第一滑块座(4)安装在所述第一滑轨(5)上，所述第二卤素灯(14)通过所述第二滑块座(12)安装在所述第二滑轨(13)上，且所述第一卤素灯(1)与所述第二卤素灯(14)位于所述高光谱相机(10)的两侧，所述电动位移平台(15)位于所述高光谱相机(10)的正下方，所述处理模块(18)与所述高光谱相机(10)和所述电动位移平台(15)相连，所述遮光罩(17)将除所述处理模块(18)外的所有组成模块罩住以提供暗室效果；

所述高光谱相机(10)，用于采集检测对象的高光谱数据；

所述第一卤素灯(1)与所述第二卤素灯(14)，用于为所述检测对象提供多角度照明；

所述角度定位盘，用于分别调节所述第一卤素灯(1)和所述第二卤素灯(14)的入射角；

所述电动位移平台(15)，用于驱动所述检测对象从所述高光谱相机(10)下方通过；

所述处理模块(18)，用于控制所述电动位移平台(15)的运动速度以及对所述高光谱相机采集的所述高光谱数据进行处理得到所述检测对象的物质成分及其含量。

优选地，所述角度定位盘还包括：第一螺纹锁紧机构(2)、量角盘(3)、第二螺纹锁紧机构(11)、第一指针(19)、第二指针(20)和铰接孔(21)；

所述第一卤素灯(1)安装在所述第一滑块座(4)上，所述第一滑块座(4)能够在所述第一滑轨(5)上自由移动，并通过所述第一螺纹锁紧机构(2)固定位置，所述第一滑轨(5)的一侧安装在所述量角盘(3)的所述铰接口(21)上，另一侧指向圆弧边，所述第一滑轨(5)靠近所述量角盘(3)的地方安装有所述第一指针(19)，所述第一指针(19)指向刻度线所标定的角度值即为所述第一卤素灯(1)的入射角度；

所述第二卤素灯(14)安装在所述第二滑块座(12)上，所述第二滑块座(12)能够在所述第二滑轨(13)上自由移动，并通过所述第二螺纹锁紧机构(11)固定位置，所述第二滑轨(13)的一侧安装在所述量角盘(3)的所述铰接口(21)上，另一侧指向圆弧边，所述第二滑轨(13)靠近所述量角盘(3)的地方安装有所述第二指针(20)，所述第二指针(20)指向刻度线所标定的角度值即为所述第二卤素灯(14)的入射角度。

优选地，所述高光谱滑轨(9)和所述量角盘(3)竖直安装在光学平台上，并且所述高光谱滑轨(9)位于所述量角盘(3)背部预设距离处。

优选地，所述第一滑轨(5)和所述第二滑轨(13)分别位于所述高光谱滑轨(9)的两侧并且所述第一滑轨(5)与所述第二滑轨(13)的长度均大于所述量角盘(3)圆弧边的半径。

优选地，所述角度定位盘能够对所述第一卤素灯(1)和所述第二卤素灯(14)的入射角度实现0～1/2πrad范围内的调节。

总体而言，本发明方法与现有技术方案相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明最突出的技术特点是采用了角度定位盘和高光谱滑轨使得该装置的几何参数连续可调，可获得待测样品的最佳几何参数的精准设置，从而可有效提高高光谱相机采集到的信号质量。

(2)本发明第二个突出的技术特点是采用了对称的两个卤素照明灯，并配备了角度定位盘，通过角度定位盘可分别调节两个卤素灯的照射高度和入射角度，从而可对立体目标实现多角度照明，提高其检测精度。

(3)本发明第三个突出的技术特点是采用模块化设计，方便拆卸与更换。

(4)本发明可替代现有的室内高光谱成像检测装置进行高光谱数据的采集与分析，可以应用于食品安全、农业监测、病原体检测、医疗诊断等诸多领域。

附图说明

图1为本发明实施例公开的一种几何参数连续可调的室内高光谱检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例公开的一种几何参数连续可调的室内高光谱检测装置中角度定位盘的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1第一卤素灯，2第一螺纹锁紧机构，3量角盘，4第一滑块座，5第一滑轨，6高光谱滑块座，7手轮，8锁紧机构，9高光谱滑轨，10高光谱相机，11第二螺纹锁紧机构，12第二滑块座，13第二滑轨，14第二卤素灯，15电动位移平台，16方盘，17遮光罩，18处理模块，19第一指针，20第二指针，21铰接口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种几何参数连续可调的室内高光谱检测装置，可用于不同物质成分的无损快速检测，该装置不仅可以实现几何参数的连续可调，而且能对目标物体实现多角度照明，以获取高质量的室内高光谱信息。

如图1所示为本发明实例公开的一种几何参数连续可调的室内高光谱检测装置，包括高光谱相机10、第一卤素灯1、第二卤素灯14、角度定位盘、电动位移平台15、遮光罩17和处理模块18；

高光谱相机(10)通过高光谱滑块座6安装在竖直放置的高光谱滑轨9上，高光谱滑块座6可在高光谱滑轨9上自由移动，并设有能将高光谱滑块座6固定在高光谱滑轨9上的锁紧机构8；

第一卤素灯1通过第一滑块座4安装在第一滑轨5上，第一滑块座4可在第一滑轨5上自由移动，并设有能将第一滑块座4固定在第一滑轨5上的第一螺纹锁紧机构2；

第二卤素灯14通过第二滑块座12安装在第二滑轨13上，第二滑块座12可在第二滑轨13上自由移动，并设有能将第二滑块座12固定在第二滑轨13上的第二螺纹锁紧机构11；

第一卤素灯1、第二卤素灯14分别位于高光谱相机10的两侧，电动位移平台15位于高光谱相机10的正下方，角度定位盘用于分别调节第一卤素灯1和第二卤素灯14的入射角，处理模块18与高光谱相机10和电动位移平台15相连，遮光罩17将除处理模块18外的所有组成模块罩住以提供暗室效果。

高光谱相机10用于采集检测对象的高光谱数据；第一卤素灯1与第二卤素灯14用于为检测对象提供多角度照明；角度定位盘，用于分别调节第一卤素灯1和第二卤素灯14的入射角；电动位移平台15用于驱动检测对象从高光谱相机10下方通过；处理模块18用于控制电动位移平台15的运动速度以及对高光谱相机采集的高光谱数据进行处理得到检测对象的物质成分及其含量。

如图2所示，角度定位盘包括第一卤素灯1、第一螺纹锁紧机构2、量角盘3、第一滑块座4、第一滑轨5、第二螺纹锁紧机构11、第二滑块座12、第二滑轨13、第二卤素灯14、第一指针19、第二指针20和铰接孔21。

量角盘3的一侧边为圆弧边，另一侧边为直边，并且铰接口21位于圆弧边的圆心处，刻度线位于量角盘3圆弧边一侧。第一卤素灯1安装在第一滑块座4上，第一滑块座4可在第一滑轨5上自由移动，并通过第一螺纹锁紧机构2固定位置，第一滑轨5的一侧安装在量角盘3的铰接口21上，另一侧指向圆弧边，并且第一滑轨5的长度大于圆弧边的半径，第一滑轨5靠近量角盘3的地方安装有第一指针19，第一指针19指向刻度线所标定的角度值即为第一卤素灯1的入射角度；同样，第二卤素灯14安装在第二滑块座12上，第二滑块座12可在第二滑轨13上自由移动，并通过第二螺纹锁紧机构11固定位置，第二滑轨13的一侧安装在量角盘3的铰接口21上，另一侧指向圆弧边，并且第二滑轨13的长度大于圆弧边的半径，第二滑轨13靠近量角盘3的地方安装有第二指针20，第二指针20指向刻度线所标定的角度值即为第二卤素灯14的入射角度。高光谱相机10安装在高光谱滑轨9上，手轮7用于调节高光谱相机10的高度，并由锁紧机构8固定位置。方盘16安放在电动位移平台15上，并位于高光谱相机10的正下方。电动位移平台15和高光谱相机10与处理模块18相连，遮光罩将除处理模块18外的所有组成模块罩住以提供暗室效果。

本发明设计的一种室内高光谱检测装置的工作原理是：将检测对象置于方盘16上，通过处理模块18驱动电动位移平台15使检测对象位于高光谱相机10的一侧，通过角度定位盘分别调节第一卤素灯1和第二卤素灯14的入射角度使检测对象得到充分照明，再对高光谱相机10进行校正后，通过处理模块18驱动电动位移平台15使检测对象匀速通过高光谱相机10的下方，高光谱相机10采集检测对象的高光谱数据并传输到处理模块18中，最后通过envi软件显示和分析。通过对现有室内高光谱检测装置的改进，采用两个卤素灯并通过角度定位盘来分别调节第一卤素灯1和第二卤素灯14的入射角度，使得检测对象得到多角度照明，提高了检测精度。

高光谱滑轨9和量角盘3竖直安装在光学平台上，并且高光谱滑轨9位于量角盘3背部预设距离处，其中，预设距离可以根据实际需要确定。

第一滑轨5和第二滑轨13分别位于高光谱滑轨9的两侧，并且第一滑轨5与第二滑轨13的长度均大于量脚盘3圆弧边的半径。

第一卤素灯1和第二卤素灯14相同，波段为380nm-2500nm，并且第一卤素灯1、第二卤素灯14的入射方向和高光谱相机10的采集方向的延长线交于一点。

角度定位盘可对第一卤素灯1和第二卤素灯14的入射角度实现0～1/2πrad范围内的调节。

现以检测苹果表面淤伤为例来说明本发明所述高光谱检测装置的使用流程，具体操作步骤如下：

(1)装置的几何参数设置：首先，根据苹果的直径大小设置高光谱相机10的高度，使高光谱相机10的视场角正好覆盖苹果表面。高光谱相机10的高度由下式给出。

式中，s为高光谱相机10高度；

f为高光谱相机镜头的焦距；

h为苹果的直径；

h为高光谱相机10中ccd的高度；

再依据公式(2)调节第一卤素灯1和第二卤素灯14的照射高度和入射角度，使苹果被充分照明。

式中，l1为第一卤素灯1或第二卤素灯14的照射高度；

l2为第一卤素灯1或第二卤素灯14端面光束出射方向的反向延长线的虚交点与端面的距离；

s2为第一卤素灯1或第二卤素灯14端面的面积；

s1为苹果的半球面面积；

(2)高光谱相机10的参数设置：首先打开第一卤素灯1或第二卤素灯14，通过处理模块18驱动电动位移平台15，使方盘16位于高光谱相机10的正下方。调节高光谱相机10的曝光参数使其接收到的光强达到高光谱相机10的饱和光强的85％。然后再进行调焦。处理模块将依据公式(5)自动调节电动位移平台的速度。

高光谱相机10的帧频和曝光时间的关系由下式给出。

framerate＝exposuretime+readouttime(3)

式中，framerate为高光谱相机10的帧频；

exposuretime为曝光时间；

readouttime为ccd的读取时间；

高光谱相机10的瞬时视场角和苹果直径之间的关系由下式给出。

式中，ifov为高光谱相机10的瞬时视场角；

nh为ccd上一列包含的像素点数；

于是，电动位移平台15的运动速度可由下式给出。

v＝fps×ifov(5)

式中，v为电位移平台15的运动速度；

fps为高光谱相机10每秒显示的帧数，其与帧频的关系由下式给出。

(3)校正：高光谱相机10在采集数据之前需要经过暗电流校正和白板校正。暗电流校正和白板校正要在相同的照明条件下进行，一旦高光谱相机10的曝光时间或者卤素灯光照强度发生变化，都需要重新进行校正。

(4)数据采集：打开第一卤素灯1和第二卤素灯14，驱动电动位移平台15使方盘16位于高光谱相机的一侧，将苹果放在方盘16上，打开高光谱相机10，并同时驱动电动位移平台15，使目标物体在高光谱相机10的正下方匀速通过，高光谱相机10采集检测目标的高光谱数据并传输到处理模块18中，最后通过envi软件显示和分析苹果的淤伤部位。

(5)关闭室内高光谱检测装置。完成苹果淤伤的检测和分析后，依次关闭第一卤素灯1和第二卤素灯14、高光谱相机10、电动位移平台15、envi软件和处理模块18，对装置的各个部件归位，恢复装置参数的初始设置。

其中，处理模块18可以集成于台式机、笔记本电脑等终端设备中。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。