一种基于超光谱遥感成像技术的小型化无人机载荷

本发明属于光学遥感领域，具体涉及一种基于超光谱遥感成像技术的小型化无人机载荷。

背景技术：

1、全球大气环境问题一直威胁着人民生命健康。为了治理环境问题，除了优化产业链，节能减排等大气污染物防控措施外，有效监测污染物排放是环境治理的关键一环。

2、目前高浓度大气污染排放往往集中于工厂、发电厂等工业区，这里往往有着集中且复杂的排放源，当前所有的环境监测手段都难以有效对其进行监测和溯源。具体包括：环境遥感卫星能够进行广泛监测，但是卫星的时空分辨率严重不足，而且会受到云的遮挡，一个工业园区可能对应在卫星成像中只有一个像素，无法区分不同厂区，更无法溯源；如公开号为cn108415038b的车载移动式vocs和恶臭气体质谱仪及污染源精准锁定系统，这类车载仪器无法深入厂区内部观测，同时容易被工业园区发现，让园区暂停重污染物排放，也难以溯源；如公开号为cn108016628a公开的一种遥感成像航拍无人机，搭载在无人机上的点式仪器的测量范围十分有限，只能测量无人机飞行高度的污染物浓度(靶向采样)，监测工业园区时效率极低。

3、因此，为了能够以高时空分辨率监测工业园区的大气污染物的水平分布，对污染物溯源，同时仪器能够不进入目标上空，就需要一种搭载在无人机上的超光谱遥感成像载荷。另外，考虑到航空管制和不引起厂区的注意，固定翼无人机和大型无人机明显是不合适的。所以为了尽快填补监测溯源工业厂区大气污染物的技术空白，目前对能够搭载在小型无人机上的小型化载荷的需求十分迫切。

技术实现思路

1、鉴于上述，本发明的目的是提供一种基于超光谱遥感成像技术的小型化无人机载荷，在比卫星遥感仪器和地面遥感仪器空间分辨率更高(达到米级分辨率)的同时，能够灵活快速监测各种遥感仪器和点式采样仪器无法监测溯源的区域。

2、为实现上述发明目的，本发明实施例提供的一种基于超光谱遥感成像技术的小型化无人机载荷，包括分体式设计的光谱采集系统和分光系统；

3、所述光谱采集系统固定到无人机前端且无视角遮挡，包括离轴抛物面反射镜、成像辅助模块、陀螺稳定模块、以及电机，电机驱动轴抛物面反射镜、成像辅助模块以及陀螺稳定模块同步调整，离轴抛物面反射镜采集天顶参考谱和负仰角地面散射光测量谱序列并通过光纤传输至光谱仪，成像辅助模块对探测区域成像并识别探测区域的物体材质作为辅助信息，陀螺稳定模块定位无人机和光谱采集系统的工作方位作为修正信息；

4、所述分光系统固定在无人机下方，包括光谱仪、电路控制系统、微型电脑、半导体制冷模块、以及散热器，光谱仪将输入的光信号转变成电信号并由微型电脑结合辅助信息和修正信息进行超光谱遥感成像，半导体制冷模块为光谱仪制冷，散热器为半导体制冷模块散热，电路控制系统控制电机、光谱仪、微型电脑、陀螺稳定模块、以及半导体制冷模块工作。

5、优选地，所述离轴抛物面反射镜用于将光路进行90°折转和将太阳散射光聚焦到光纤端面上，实现对负仰角地面散射光测量谱序列和天顶参考谱的采集，离轴抛物面反射镜的聚焦轴与电机的转动轴共轴，同时抛物面反射镜的参数需要满足所用光纤的数值孔径na，使得进入光纤的光通量达到最大。

6、优选地，所述离轴抛物面反射镜采用镀紫外高反射率膜的离轴抛物面反射镜。

7、优选地，所述成像辅助模块在硬件上包括高清摄像头、携带图像识别算法和基于辐射传输模型的地表反照率算法的小块电路板，高清摄像头的观测方位与离轴抛物面反射镜的探测方位一致，能够在100m到无穷远自动调焦，成像的探测区域用于后期超光谱的痕量气体成像结果与探测区域的映射，携带图像识别算法对探测区域图像进行物体材质识别，基于辐射传输模型的地表反照率算法对识别的物体材质进行计算得到不同物体在不同环境下的地表反照率，探测区域图像以及物体材质对应的地表反照率作为辅助信息传输至微型电脑。

8、优选地，所述陀螺稳定模块用于实时反馈当前转动角度，反馈的当前转动角度作为调整角度的依据，使得光谱采集系统在对某一仰角进行测量时，电机能够实时根据反馈的当前转动角度调整角度，保证采集的某一仰角固定在设定值；

9、陀螺稳定模块还用于实时监测超光谱无人机载荷的实时姿态角，该实时姿态角作为修正信息用于超光谱遥感成像的几何修正，陀螺稳定模块的监测精度在0.1°以上。

10、优选地，所述分光系统还包括导热器，导热器采用导热系数高且质量轻的金属层，其包全包裹光谱仪外表面、或部分包裹靠近光谱仪ccd的外表面，通过增大光谱仪与半导体制冷模块热交换面积方式实现对光谱仪的制冷。

11、优选地，所述分光系统还包括温度传感器，温度传感器将光谱仪的温度实时反馈给电路控制系统，再由电路控制系统控制半导体制冷模块实时变化温度，使得半导体制冷模块能够自动调节，保证光谱仪温度恒定。

12、优选地，所述散热器包括散热片阵列和散热分风扇，散热风扇将外界空气吹向散热片阵列，空气经过散热片阵列，散热片里的空气流动方向与无人机螺旋桨产生的空气流动方向能够组成涡流，散热器的位置能够使无人机螺旋桨更快地把散热片从半导体制冷模块获得的空气热量带出，其中，散热片采用轻质且导热系数大的材料，散热分风扇的散热效果大于半导体制冷模块的发热效果。

13、优选地，光谱仪、导热器、半导体制冷模块、以及散热器之间的缝隙采用散热硅脂填满；

14、在组装时，使用轻质的隔热材料将导热器和光谱仪与外界隔离，阻止与外界的热交换。

15、优选地，所述分光系统采用骨架和外壳的结构，骨架内部固定微型电脑、光谱仪、电路控制系统、半导体制冷模块、散热器、以及wifi模块，骨架外部固定到无人机，外壳采用多个薄碳纤维平板，包裹整个分光系统，每个碳纤维平板都固定在骨架上，平板之间采用拼装的方式。

16、与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：

17、通过对无人机载荷整体结构的轻量化设计，使其在保证超光谱技术正常实现下，能够正常搭载在载重2.8kg左右的电动小型旋翼无人机上，即实现超光谱仪器的无人机机载化；仪器光谱采集系统的设计，使其能够正常测量超光谱技术所需的天顶参考谱、对地测量谱、地表反照率等，并保证其运行的稳定性；分光系统的设计，使整个光谱处理系统能够维持在0.1℃的温度变化内，保证光谱仪的正常运行和光谱成像质量。

技术特征：

1.一种基于超光谱遥感成像技术的小型化无人机载荷，其特征在于，包括分体式设计的光谱采集系统和分光系统；

2.根据权利要求1所述的基于超光谱遥感成像技术的小型化无人机载荷，其特征在于，所述离轴抛物面反射镜用于将光路进行90°折转和将太阳散射光聚焦到光纤端面上，实现对负仰角地面散射光测量谱序列和天顶参考谱的采集，离轴抛物面反射镜的聚焦轴与电机的转动轴共轴，同时抛物面反射镜的参数需要满足所用光纤的数值孔径na，使得进入光纤的光通量达到最大。

3.根据权利要求1所述的基于超光谱遥感成像技术的小型化无人机载荷，其特征在于，所述离轴抛物面反射镜采用镀紫外高反射率膜的离轴抛物面反射镜。

4.根据权利要求1所述的基于超光谱遥感成像技术的小型化无人机载荷，其特征在于，所述成像辅助模块在硬件上包括高清摄像头、携带图像识别算法和基于辐射传输模型的地表反照率算法的小块电路板，高清摄像头的观测方位与离轴抛物面反射镜的探测方位一致，能够在100m到无穷远自动调焦，成像的探测区域用于后期超光谱的痕量气体成像结果与探测区域的映射，携带图像识别算法对探测区域图像进行物体材质识别，基于辐射传输模型的地表反照率算法对识别的物体材质进行计算得到不同物体在不同环境下的地表反照率，探测区域图像以及物体材质对应的地表反照率作为辅助信息传输至微型电脑。

5.根据权利要求1所述的基于超光谱遥感成像技术的小型化无人机载荷，其特征在于，所述陀螺稳定模块用于实时反馈当前转动角度，反馈的当前转动角度作为调整角度的依据，使得光谱采集系统在对某一仰角进行测量时，电机能够实时根据反馈的当前转动角度调整角度，保证采集的某一仰角固定在设定值；

6.根据权利要求1所述的基于超光谱遥感成像技术的小型化无人机载荷，其特征在于，所述分光系统还包括导热器，导热器采用导热系数高且质量轻的金属层，其包全包裹光谱仪外表面、或部分包裹靠近光谱仪ccd的外表面，通过增大光谱仪与半导体制冷模块热交换面积方式实现对光谱仪的制冷。

7.根据权利要求1所述的基于超光谱遥感成像技术的小型化无人机载荷，其特征在于，所述分光系统还包括温度传感器，温度传感器将光谱仪的温度实时反馈给电路控制系统，再由电路控制系统控制半导体制冷模块实时变化温度，使得半导体制冷模块能够自动调节，保证光谱仪温度恒定。

8.根据权利要求1所述的基于超光谱遥感成像技术的小型化无人机载荷，其特征在于，所述散热器包括散热片阵列和散热分风扇，散热风扇将外界空气吹向散热片阵列，空气经过散热片阵列，散热片里的空气流动方向与无人机螺旋桨产生的空气流动方向能够组成涡流，散热器的位置能够使无人机螺旋桨更快地把散热片从半导体制冷模块获得的空气热量带出，其中，散热片采用轻质且导热系数大的材料，散热分风扇的散热效果大于半导体制冷模块的发热效果。

9.根据权利要求6所述的基于超光谱遥感成像技术的小型化无人机载荷，其特征在于，光谱仪、导热器、半导体制冷模块、以及散热器之间的缝隙采用散热硅脂填满；

10.根据权利要求1所述的基于超光谱遥感成像技术的小型化无人机载荷，其特征在于，所述分光系统采用骨架和外壳的结构，骨架内部固定微型电脑、光谱仪、电路控制系统、半导体制冷模块、散热器、以及wifi模块，骨架外部固定到无人机，外壳采用多个薄碳纤维平板，包裹整个分光系统，每个碳纤维平板都固定在骨架上，平板之间采用拼装的方式。

技术总结
本发明公开了一种基于超光谱遥感成像技术的小型化无人机载荷，包括：光谱采集系统固定到无人机前端且无视角遮挡，包括离轴抛物面反射镜采集天顶参考谱和负仰角地面散射光测量谱序列并通过光纤传输至光谱仪，成像辅助模块对探测区域成像并识别探测区域的物体材质作为辅助信息，陀螺稳定模块定位无人机和光谱采集系统的工作方位作为修正信息；分光系统固定在无人机下方，包括光谱仪将输入的光信号转变成电信号并由微型电脑结合辅助信息和修正信息进行超光谱遥感成像，半导体制冷模块为光谱仪制冷，散热器为半导体制冷模块散热，该载荷在比卫星遥感仪器和地面遥感仪器空间分辨率更高的同时，能够灵活快速监测溯源区域。

技术研发人员：刘诚,彭浩辰,邢成志,谈伟,伍泽鸿,邹体亮,陈健,魏少聪
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/19