专利名称：无人机载用于监测的轻小型多光谱成像仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种轻小型多光谱成像仪，特别是关于一种小型化、轻量化、自动化、低功耗无人机载海洋遥感多光谱成像仪，适用于装载在小型无人驾驶飞机上进行近海赤潮、溢油、海冰等现象的快速动态监测和海上突发性事件的应急监测。
背景技术：
小型无人驾驶飞机是近年来迅速发展的新型遥感平台，突出优点是成本低、灵活机动。但由于其载重轻、空间狭小，要求它所装载的遥感仪器实现小型化、轻量化、低功耗；机上没有操作人员，要求遥感仪器具备自动控制和远程控制的能力。
多光谱成像仪是对地观测的有效手段，它将光谱技术和视频摄像技术有机地结合在一起，使摄像器件在获取目标景象的同时，具有光谱分辨的能力。目前国际上多光谱成像仪较多，适用于普通飞机搭载、重量较重、不具备自动操作功能的有美国农业部的系列多光谱成像仪、澳大利亚新英格兰大学的4波段多光谱成像仪等；实现了轻量化和自动化、能用于小型无人机搭载的有美国Flight Landata公司1997年生产的4波段成像仪CAMIS(ComputerizedAirborne Multicamera Imaging System，微机控制机载多相机成像系统)。CAMIS光学头部采用4个Sony XC-8500CE 1/2″CCD黑白摄像头；主控计算机采用半高度的台式计算机，配有4通道图象采集卡，差分GPS接收器；具备无人自动操作功能；其重量光学头部1.8kg，主控计算机9.1kg，液晶显示器5.8kg，但CAMIS有以下不足1.主控计算机采用传统的台式机系统，重量和体积仍较大；2.无抗振设计；3.无远程控制功能；4.主控计算机电源要求与飞机所提供电源不一致，需另接电源转换器。
发明内容
本发明的目的是在参考CAMIS等国内外现有小型多光谱成像仪设计思想的基础上，提出改进方案，设计制造一台适于搭载在小型无人机遥感平台上，用于监测的轻小型多光谱成像仪，特别适于执行海洋监测任务的小型多光谱成像仪。
本发明的技术方案如下根据本发明的适于搭载在小型无人驾驶飞机遥感平台上的用于监测的轻小型多光谱成像仪，主要由主控计算机和光学头部组成，光学头部含多个装有滤光片的CCD相机，特点是主控计算机是PC/104+架构，外壳采用弹簧悬浮式结构。
进一步所述主控计算机内安装有自动监控模块，实现接收、执行远程控制指令，并能根据所获取的图像实时自适应调整曝光参数；在所述主控计算机内装有数据采集卡和GPS卡，实行三通道视频数据、曝光时刻GPS数据的实时同步采集、存储，并能在监控软件的指令控制下实时改变采集时刻间隔、曝光时间参数；所述主控计算机内装有内置电源转换卡，实现采用飞机上28V电源供电。
本发明的优点是1.由于采用PC/104+架构嵌入式计算机代替台式计算机，并设计制作了轻型外壳，使主控计算机的重量由9千克减小到2千克，体积减小到170毫米(长)×154毫米(宽)×170毫米(高)。(体积、重量均包括外壳、GPS卡、电源转换卡在内。)实现了轻量化、小型化。
2.由于装设PC/104+架构的数据采集卡，实现了三通道视频数据的同步采集。
3.由于装设配合PC/104+架构的GPS卡，使能采集记录曝光时刻的GPS数据。
4.由于装设PC/104+架构的电源转换卡，实现采用机上28V电源供电，直接装配在主控计算机内，不需另接电源转换器。
5.由于装设3通道窄带滤光片，带宽20nm，通过滤光片的不同组合，使能实现对海洋中的溢油、赤潮、海冰的监测。
6.由于装设配套控制模块，使能实现自动控制，并能接收、执行远程控制指令。
7.由于装设弹簧悬浮式计算机外壳，大大提高了主控计算机的抗振性能。
图1是本发明的无人机载用于监测的轻小型多光谱成像仪的结构图。
图2是本发明中的主控计算机的外壳之悬浮式弹弹减振结构图。
图3是本发明中的相机镜头结构图。
图4是本发明中的图像采集卡原理图。
图5是本发明中的GPS卡方框图。
图6是本发明中的由飞机上28V电源供电的主控计算机内置电源转换卡示意图。
图7是本发明中的自动监控程序流程图。
具体实施例方式下面根据图1~图7给出本发明一个较好实施例，详细说明依据本发明提出的具体多光谱成像仪的细节及工作情况。
如图1所示，该多光谱成像仪可分为光学头部1和主控计算机2两大部分，该光学头部1和主控计算机2之间由三根电缆3连接。光学头部1由三只黑白CCD相机4和外壳5组成。三只CCD相机4呈等边三角形均匀排列(参见图3所示)，并在光轴上相互平行。为了保证多谱段的图象象元配准，平行精度需控制在1/4象元以内。为了达到平行精度，采用了精密加工外壳。每只相机4均加装有镜头6和窄带滤光片7。根据需要可方便更换不同参数的滤光片7。主控计算机2采用PC/104+架构，由电源转换卡8、主板9、图像采集卡10、硬盘固定卡11、GPS卡12和外壳13构成。电源转换卡8实现飞机上28V电源电压到PC/104+总线电压的转换。图像采集卡10实现三路图像的同步采集。硬盘固定卡11用于安装硬盘14和电缆3。GPS卡12实现GPS信号接收，并通过串口电缆15将GPS数据传输到主板9。主控计算机2的外壳13是一个金属罩，起到电磁屏蔽的作用；外壳13通过悬浮式弹簧来固定主控计算机12，有效减小主控计算机2所受到的冲击和振动。外壳13的悬浮式弹簧结构如图2所示的弹簧16和减振垫17。系统安装有一套实时监控软件(参见图7)，实现自动控制同步拍摄间隔、曝光时间功能，并能接收、执行远程控制指令。
再参阅图1，本实施例中1.主控计算机2采用PC/104+架构嵌入式计算机代替台式计算机，并设计制作了轻型外壳，使主控计算机的重量由9千克减小到2千克，体积减小到170毫米(长)×154毫米(宽)×170毫米(高)。(体积、重量均包括外壳、GPS卡、电源转换卡在内。)实现了轻量化、小型化。
2.设计了PC/104+架构的数据采集卡，实现了三通道视频数据的同步采集。
图像采集卡10如图4所示三路模拟视频信号进入图像卡10后分为两个分支，一个分支经同步分离器104分出行、场同步信号送给鉴相器105，使之与卡内时序发生器及控制电器106产生的行、场同步信号保持同相关系。另一分支视频信号经过预处理电路101，将视频的灰度信号由峰峰值为1伏的标准视频信号放大到模/数转换器102所需要的幅度，并调整好白点电平和对比度。预处理电路101输出的信号送模/数转换器102转换为数字信号，经接口芯片103送往主控计算机系统总线PCI。
3.装设配合PC/104+架构的GPS卡口12，采集记录曝光时刻的GPS数据。
GPS卡12的原理框图如图5所示GPS卡12包括依次成电路联结的GPS天线121、模数换器122，经数据总线120将数据送入RAM124和ROM123中，再按系统从ROM123中调出的命令，将数据经数据总线120送处理芯片125，串行接口126。
4.装设PC/104+架构的电源转换卡8实现采用机上28V电源供电，直接装配在主控计算机内，不需另接电源转换器。
电源转换卡8的结构如图6所示。
飞机上的+28V电源经电源模块81转换成+12V电源、+5V电源、+3.3V电源和-5V电源。
5.设计了如图1和图3所示的三通道窄带滤光片7，带宽20nm，通过滤光片的不同组合，使能实现对海洋中的溢油、赤潮、海冰的监测。
由于溢油、赤潮、海冰对各波段太阳光的反射率不同，通过滤光片的不同组合可实现反射光特定波段的光谱识别，实现溢油、赤潮、海冰的监测。
6.在主控计算机2内设置有自动监控模块，其实现自动控制，并能接收、执行远程控制指令，工作程序流程如图7所示
自动监控程序100由主控计算机2操控，步骤1001，程序启动，步骤1002，图像采集卡10初始化，步骤1003，GPS卡12初化，步骤1004，判断主控计算机2收到远程控制指令“启动采集”？若未收到远程控制指令，便返回执行步骤1004；若收到远程控制指令，则依次执行步骤1005，采集GPS数据记入内存，步骤1006，向图像采集卡10发出异步采集命令，将采集到的图像存入内存，步骤1007，发出电子快门触发脉冲，脉宽Te由软件延时控制，步骤1008，把采集到的图像和GPS数据由内存写入硬盘，步骤1009，计算图像直方图，若图像过暗或过亮，则调整下次的电子快门触发脉冲的脉宽Te，步骤1010，根据GPS信息计算速度高度比，算出到下次采集所需延时Td，步骤1011，向控制计算机发出状态报告，步骤1012，判断是否收到远程控制“关机”指令？若未收到“关机”指令，便执行步骤1013，由软件延时Td，再返回执行步骤1004；若收到“关机”指令，则依次执行步骤1014，释放系统资源，步骤1015，退出Windows，步骤1016，程序结束。
权利要求
1.一种无人机载用于监测的轻小型多光谱成像仪，该成像仪包括主控计算机和光学头部，所述光学头部含有多个装有滤光片的CCD相机，其特征在于该主控计算机是PC/104+架构，外壳采用弹簧悬浮式结构。
2.根据权利要求1所述的无人机载用于监测的轻小型多光谱成像仪，其特征在于该主控计算机内安装有具有接收、执行远程控制指令，并能根据所获取的图像实时自适应调整曝光参数的自动监控模块。
3.根据权利要求1所述的无人机载用于监测的轻小型多光谱成像仪，其特征在于该主控计算机内装有具有三通道视频数据、曝光时刻GPS数据的实时同步采集、存储，并能在监控软件的指令控制下实时改变采集时刻间隔、曝光时间参数的数据采集卡和GPS卡。
4.根据权利要求1所述的无人机载用于监测的轻小型多光谱成像仪，其特征在于该主控计算机内装有采用飞机上28V电源供电的内置电源转换卡。
全文摘要
一种无人机载用于监测的轻小型多光谱成像仪，能够同步获取多波段图谱合一遥感图像，特别适合执行海洋监测任务。该成像仪的主控计算机采用PC/104+架构计算机代替传统的台式机，使得其重量和体积大大减小，能够适应无人机载重小、空间小的要求；外壳采用悬浮式弹簧结构，增强其抗冲击、振动能力；设有配套的自动监控软件，实现自动控制同步拍摄间隔和曝光时间、接收和执行远程指令。
文档编号G01C13/00GK1587910SQ200410066549
公开日2005年3月2日 申请日期2004年9月21日 优先权日2004年9月21日
发明者舒嵘, 王斌永, 贾建军, 戴方兴, 方抗美, 王建宇, 薛永祺, 何志平, 过于成 申请人:中国科学院上海技术物理研究所