一种双分叉X型光纤和其光谱采集监测系统的制作方法

本发明涉及高光谱成像技术领域，具体涉及一种双分叉x型光纤及应用双分叉x型光纤的目标、全天空及暗背景光谱采集监测系统，用于解决目标区域的辐射光照信息和参考辐射光照信息采集时间差较大、导致采集信息偏差大的问题以及光谱采集系统结构复杂、灵活性差等问题。

背景技术：

光谱学是测量紫外、可见、近红外和红外波段光强度的技术。光谱测量已经被应用于众多领域。以集中了光学、电子学、信息处理、计算机科学等领域的先进技术的高光谱成像是近二十年来发展起来的基于非常多窄波段的影像数据技术，其最突出的应用是在遥感探测领域，并在越来越多的民用领域有着更大的应用前景。将传统的二维成像技术和光谱技术有机的结合在一起的一门新兴技术。高光谱成像技术的定义是在多光谱成像的基础上，在从紫外到近红外(200-2500nm)的光谱范围内，利用成像光谱仪，在光谱覆盖范围内的数十或数百条光谱波段对目标物体连续成像。在获得物体空间特征成像的同时，也获得了被测物体的光谱信息。

针对特定目标非成像方式的光谱获取技术是较高光谱成像技术更早的一种手段，其测试精度高、技术集成度简单等特点在众多领域被应用和推广。实际使用过程中大多数都是基于地面、实验室、小块区域监测等方向开展的。

现有的光谱获取方案基本结构由推杆电机、传送平台(导轨)、固定平面反射镜、移动平面光纤、余弦校正器、快门结构、控制主板、计算机等组成，余弦校正模块采集太阳光辐射照度信息；推杆电机以及平行滑轨则是为了将光路进行切换，平面反射镜固定在三角形的转接块上，转接块又与平行导轨进行连接固定，在电机的控制下平面反射镜在导轨上平行移动；而系统的光信号收集是通过光纤来完成的，收集的光信号传输到光谱仪。平面反射镜与对天端太阳光进入光纤时成45度角，除去平面反射镜，其他部位全部设计为黑色，防止反光等影响。

这种结构采集信号时主要有两路：一路是采集对天空时太阳光的辐射亮度信息(参考辐射光照信息及其暗背景信息)，推杆电机会将平面反射镜移动到指定位置，使得余弦校正模块采集的信号完整的进入到光纤光谱仪器里面，待采集完成后，对天端的快门结构快速的关闭，快速的采集完成对天端时的暗背景信号。而此时对地端的快门结构在快门控制电机的控制下，阻断了对地端目标信号的进入。

另一路：对天端的太阳光信号及其暗背景信号采集完成后，推杆电机会带动对天端的一侧的反射镜恢复到原位，光纤光谱仪不再接来至对天端的任何信号。系统控制快门结构移开光线入口视场，被测目标的反射信号进入到系统中，采集完成对地端待测目标的信号之后，系统发送指令，使得快门电机带动快门结构完成对对地端光线继续进入到系统中，以便完成暗背景信号的采集工作。通过指令控制完成4种信号需要采集。同时还不能有其他干扰信号被采集到。

这种光谱获取方案具有一定的优点：其通过一根光纤来完成对天、对地两端的4种信号的采集动作，光纤芯在光谱仪入射狭缝上的分布能够很好的保持各信号以最优状态被采集。但依然存在诸多不足：

1、对天端测试和对地端目标测试信号采集采用一根光纤分步顺序进行，无法保证对天端测试和对地端目标测试在非常短的时间内完成，上行采集和下行采集时间差较大，存在环境光的变化导致采集信息产生偏差的问题；

2、需要很高的精密移动机构来完成所需移动部件的控制，光纤固定在特定位置上，没有调整的余量，对精密控制部分要求很高；整体结构复杂、精密性差，采集效率及收光效率低；且因使用的反射镜结构，对待测目标的角度要求具有局限性，不够灵活，基本上只能测试垂直向下的目标；

3、这种光纤光谱仪来获取目标特征光谱的技术应用平台多为固定平台下对特定目标进行有限范围、有限信息的检测，结构相对固定、灵活性差，实际使用中更适合小块、固定区域监测，无法灵活满足多种应用需求。

因此，光谱采集中如何实现不同的采集系统(探测器)接近于同步效果完成对待测目标信号的获取、以及提高整体系统的集成性、灵活性、通用性是提高光谱采集质量及拓展其应用范围的关键。

技术实现要素：

本发明的目的在于：为解决目标区域的辐射光照信息和参考辐射光照信息采集时间差较大、导致采集信息偏差大的问题以及光谱采集系统结构复杂、灵活性差等问题，本发明提供一种适用于光谱采集系统的特殊结构的双分叉x型光纤及应用双分叉x型光纤的基于无人机的目标、全天空及暗背景光谱采集监测系统。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种适用于光谱采集监测系统的双分叉x型光纤，包括两个线性阵列排列有数根芯的入射端光纤，两个入射端光纤在中间进行交叉汇合融合后，再均等的分为两个出口端光纤，两个入射端光纤用于目标区域的辐射光照信息和参考辐射光照信息及其他们的暗背景信息的采集，两个出口端光纤便于连接至两个不同的目的监测机构，比如不同波段范围、不同光谱分辨率或者不同测量精度的光纤光谱仪来完成数据的测量和采集任务，以适应不同的应用范围；采用双分叉x型光纤的这种信息传输方式能够确保待测目标区域的辐射光照信息与参考辐射光照信息能够实现同步采集，使得待测目标区域的辐射光照信息与参考辐射光照信息采集的时间差降低到最小。

进一步地，两个所述出口端光纤的芯按照线性阵列交叉排列。使得两个入射端的信号均等、交叉分布，确保不同的监测器能够同步收到来自不同方向、非常接近于同一区域的信号，实现同步、接近区域、等量信号的采集。

进一步地，两个所述出口端光纤的芯按照环形结构交叉排列，形成一个圆形。输入端的两根光纤在接收不同方向的信号后，在交叉融合信号之后，输出进入监测器时的信号能够均等且按照环形结构进行分布，采用环形交叉排列结构的光纤，通过光纤的耦合作用后，在两光纤输出端各形成一个圆形结构的光斑，环形光斑信号交叉映射不同的光纤输入，确保两个不同的监测器能够同步收到来自不同方向、且是同一区域的信号，实现同步、同区域、等量信号的采集。

一种包括以上所述的双分叉x型光纤的目标、全天空及暗背景光谱采集监测系统，还包括采集控制系统、对天空信号采集机构、对目标信号采集机构和两个目的监测光谱仪；所述对天空信号采集机构包括快门a和余弦校正模块，所述余弦校正模块设置于快门a入口端的一侧，所述快门a的输出端与双分叉x型光纤的其中一个入射端光纤连接；所述对目标信号采集机构包括快门b，快门b的输出端与双分叉x型光纤的另外一个入射端光纤连接；所述双分叉x型光纤的两个出口端光纤分别与两个目的监测光谱仪连接。快门结构通过采集控制系统控制主板提供的触发信号实现开与关的动作，余弦校准模块的目的就是为了因太阳光的角度是实时在变化的，需对采集到的太阳光信号进行匀化处理，用于相对光谱强度和绝对光谱强度测量。

进一步地，所述快门b的入口端安装有成像镜头。在快门b的进口端可以直接裸光纤或连接不同焦距的成像镜头进行对目标进行监测。连接成像镜头后，通过调整镜头焦距，可以将目标的像清晰的呈现出来。

一种包括以上所述的目标、全天空及暗背景光谱采集监测系统的基于无人机的目标、全天空及暗背景光谱采集监测系统，还包括无人机系统、三维增稳云台和高清相机；所述对天空信号采集机构和两个目的监测光谱仪固定于于无人机的机体上，所述无人机机体底部设有三维增稳云台，所述三维增稳云台上固定有转接件，所述快门b固定在转接件上；所述转接件上还设有高清相机用于对待测目标区域进行实时监控。

进一步地，所述两个目的监测光谱仪分别为植被反射率信号检测光谱仪和太阳光诱导叶绿素荧光信号检测光谱仪。

本发明的有益效果如下：

1、本发明使用特殊芯径分布的x型光纤来实现输入信号能够进行交叉融合，确保不同的监测器能够在同一时间内均等的获取输入的测目标区域的辐射光照信息与参考辐射光照信息；采用x型光纤的信息传输方式能够确保待测目标区域的辐射光照信息与参考辐射光照信息能够实现同步采集，使得待测目标区域的辐射光照信息与参考辐射光照信息采集之间的时间差降低到最小，避免环境光的变化导致采集信息偏差的问题；

2、本发明两个出口端光纤的芯按照线性阵列交叉排列，使得两个入射端的信号均等、交叉分布，确保不同的监测器能够同步收到来自不同方向、非常接近于同一区域的信号，实现同步、接近区域、等量信号的采集；

3、本发明两个出口端光纤的芯按照环形结构交叉排列，形成一个圆形。采用环形交叉排列结构的光纤，通过光纤的耦合作用后，在两光纤输出端各形成一个圆形结构的光斑，环形光斑信号交叉映射不同的光纤输入，确保两个不同的监测器能够同步收到来自不同方向、且是同一区域的信号，实现同步、同区域、等量信号的采集；

4、本发明的目标、全天空及暗背景光谱采集监测系统，应用双分叉x型光纤，两个双分叉x型光纤的入射端连接对天空信号采集机构和对目标信号采集机构，完成待测目标区域的辐射光照信息、参考辐射光照信息及其他们的暗背景信息的采集，两个出口端光纤可以根据应用需求连接不同的监测光谱仪，比如不同波段范围，不同光谱分辨率或者不同测量精度的光纤光谱仪来完成数据的测量和采集任务，拓展了探测目标的光谱测试范围，提高了目标信息探测的精度和灵敏度，大幅提升系统的集成度和采集效率，系统的稳定性、可靠性等性能同步进行了优化升级，降低了系统的复杂性、片面性，灵活性强，应用范围更广泛；

5、本发明的目标、全天空及暗背景光谱采集监测系统的对天空信号采集机构的入射端光纤可以增加固定焦距的镜头，因光纤具有一定的收光角度，通常情况下也只有10度左右，通过结构设计，可以自由切换、增加不同的定焦镜头来完成对待测目标区域的锁定，通用性强；

6、本发明的基于无人机的目标、全天空及暗背景光谱采集监测系统，依托无人机能够实现不同高度、续航能力强、操控简单等特点，可对大面积目标中的多个不同研究对象进行探测、分析研判，对目标精准的定性和定量测量提供技术支撑，结合灵活的监测光谱仪，能够有效、精准的获取到被测目标的光谱精细结构信息，对被监控目标的时效性能够有很大的提高。整体系统全方位、多角度考虑，解决了目前对同一目标、在同一时间内多种信号在采集、传送、校准定标、位置精确定位等重点关注的问题，使得被测结果能够真实的反应出待测目标的特性。

7、本发明的基于无人机的目标、全天空及暗背景光谱采集监测系统设置有高清相机，高清相机与对目标端光纤探头结构的设计和视场标定，高清相机一方面能够清楚的记录下每次拍摄区域的rgb图像信息，另一方面又可以实时的观察飞行系统是否处于待测目标的区域范围；并且，高清相机每次都会记录下无人机在拍摄目标光谱信息时，整个待测区域的rgb图像，通过图像拼接，最后形成的rgb合成图像可以直观的掌握系统拍摄的区域，为后期的地面定标测量提供帮助。

附图说明

图1是本发明实施例1双分叉x型光纤结构示意图；

图2是本发明实施例2双分叉x型光纤结构示意图；

图3是图2中i部的局部放大图；

图4是目标、全天空及暗背景光谱采集监测系统结构连接关系简图；

图5是本发明基于无人机的目标、全天空及暗背景光谱采集监测系统结构立体示意图；

图6是本发明基于无人机的目标、全天空及暗背景光谱采集监测系统结构主视图；

图7是本发明俯视图是本发明基于无人机的目标、全天空及暗背景光谱采集监测系统结构右视图；

图8是本发明基于无人机的目标、全天空及暗背景光谱采集监测系统结构俯视图。

附图标记：1-双分叉x型光纤、2-入射端光纤、201-第一入射端光纤芯、202-第二入射端光纤芯、3-出口端光纤、4-系统盒、5-余弦校正模块、6-转接件、7-成像镜头、8-高清相机、9-三维增稳云台、10-无人机本体、11-快门a、12-快门b、13-目的监测光谱仪

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种适用于光谱采集监测系统的双分叉x型光纤，包括两个线性阵列排列有数根芯的入射端光纤2，两个入射端光纤2在中间进行交叉汇合融合后，再均等的分为两个出口端光纤3，两个入射端光纤2用于目标区域的辐射光照信息和参考辐射光照信息及其他们的暗背景信息的采集，两个出口端光纤3便于连接至两个不同的目的监测机构，比如不同波段范围(例如350nm-1100nm、900nm-1700nm、1000nm-2500nm)、不同光谱分辨率或者不同测量精度的光纤光谱仪，用来完成数据的测量和采集任务，以适应不同的应用范围。

采用双分叉x型光纤的这种信息传输方式能够确保待测目标区域的辐射光照信息与参考辐射光照信息能够实现同步采集，使得待测目标区域的辐射光照信息与参考辐射光照信息采集的时间差降低到最小。

在本实施例中，双分叉x型结构的两个入射端光纤2直径为1mm，在直径1mm的光纤芯径上均匀分布单个直径为100um直径，数量为8根的芯，按照线性阵列排列。两个入射光纤在中间进行交叉汇合融合后，再均等的分布在出口端的光纤芯上。

作为本实施例的一种优选实施方式，两个出口端的光纤芯径中依然按照线性阵列排列，但光纤芯却是入射端芯按照交叉排列进行输出的结构，如图1所示：第一个入射端光纤端口按照线性排列8根第一入射端光纤芯201，第二个入射端光纤的端口按照线性排列8根第二入射端光纤芯202；经过光纤耦合之后，第一入射端光纤芯201和第二入射端光纤芯202的光纤信号被分流，分别流向两个光纤出口端，每个光纤出口端分别收到第一入射端光纤芯201和第二入射端光纤芯202的信号，而且信号均等、交叉分布，确保探测器能够同步收到来至不同方向的有效信号。结构设计相对容易，价格成本低；输入和输出非常接近于同一区域的信号，实现同步、接近区域、等量信号的采集。

实施例2

如图2和图3所示，本实施例在实施例1的基础上进一步优化，具体区别为：

两个所述出口端光纤的芯按照环形结构交叉排列，形成一个圆形。第一个入射端光纤的端口按照线性排列8根第一入射端光纤芯201，第二个入射端光纤端口按照线性排列8根第二入射端光纤芯202；经过光纤耦合之后，第一入射端光纤芯201和第二入射端光纤芯202的光纤信号被分流，分别流向两个光纤出口端，每个光纤出口端分别收到第一入射端光纤芯201和第二入射端光纤芯202的信号，输入端的两根光纤在接收不同方向的信号后，在交叉融合信号之后，输出进入监测器时的信号能够均等且按照环形结构进行分布，采用环形交叉排列结构的光纤，通过光纤的耦合作用后，在两光纤输出端各形成一个圆形结构的光斑，环形光斑信号交叉映射不同的光纤输入，确保两个不同的监测器能够同步收到来自不同方向、且是同一区域的信号，实现同步、同区域、等量信号的采集。检测区域不存在偏差，光通量更好。

实施例3

如图4所示，本实施例提供一种目标、全天空及暗背景光谱采集监测系统，包括双分叉x型光纤1，还包括采集控制系统、对天空信号采集机构、对目标信号采集机构和两个目的监测光谱仪13；所述双分叉x型光纤1包括两个线性阵列排列有数根芯的入射端光纤2，两个入射端光纤2在中间进行交叉汇合融合后，再均等的分为两个出口端光纤3，所述对天空信号采集机构包括快门a11和余弦校正模块5，所述余弦校正模块5设置于快门a11入口端的一侧，所述快门a11的输出端与双分叉x型光纤1的其中一个入射端光纤连接；所述对目标信号采集机构包括快门b12，快门b12的输出端与双分叉x型光纤1的另外一个入射端光纤连接；所述双分叉x型光纤1的两个出口端光纤3分别与两个目的监测光谱仪13连接。

在本实施例中，光纤采用双分叉x型光纤，在1mm的空间上，分布有8个直径一样的芯，两进两出的方式，两个入射端光纤分别获取天空端的辐射亮度及其对应的暗背景信号和对地目标的辐射亮度及其暗背景信号，收集的光路经过耦合、均等分配后，输入到不同的监测光谱仪，使得监测光谱仪能够在非常短的时间内获取同一目标区域的信息。

而在采集有效信号的同时，还需采集对应目标的暗背景信号，借助设计的快门结构，能够确保每一有效信号在采集完成后，对应快门能够快速的阻断所有输入端信号的进入，获取到实时的暗背景信号，并且快门的快速切换能够确保各自信号不会被干扰。所以在两个光纤入口端均设计有快门结构，目的是为拍摄对应目标的暗背景信号。，对天端的入射端光纤首先与快门a11进行连接和固定，快门a11通过系统控制主板提供的触发信号实现开与关的动作，其驱动电压为5v。接着在快门a11的进口端一侧设有一个半球型的余弦校准模块，其目的就是为了因太阳光的角度是实时在变化的，需对采集到的太阳光信号进行匀化处理，用于相对光谱强度和绝对光谱强度测量。

余弦校正器、快门a11、对天端的入射端光纤就组成了一个辐射探头，探头与系统内置的两个(或多个)目的监测光谱仪13相连接，其用于测量探头表面光线的辐射强度，此信号会通过x型光纤分别以均等亮度(信号)的传输到内置的目的监测光谱仪13里，而且信号会在非常短暂的时间内被存储可记录下来。

面向待测目标的入射端光纤可以通过固定件安装固定快门b12，作为本实施例的一种优选实施方式，快门b12的入口端安装有成像镜头7。在快门b12的进口端可以直接裸光纤或连接不同焦距的成像镜头7进行对目标进行监测。连接成像镜头7后，通过调整镜头焦距，可以将目标的像清晰的呈现出来。

实施例4

如图5至图8所示，本实施例提供一种基于无人机的目标、全天空及暗背景光谱采集监测系统，包括双分叉x型光纤1、采集控制系统、对天空信号采集机构、对目标信号采集机构和两个目的监测光谱仪13；还包括无人机系统、三维增稳云台9和高清相机8；所述双分叉x型光纤1包括两个线性阵列排列有数根芯的入射端光纤2，两个入射端光纤2在中间进行交叉汇合融合后，再均等的分为两个出口端光纤3；所述对天空信号采集机构包括快门a11和余弦校正模块5，所述余弦校正模块5设置于快门a11入口端的一侧，所述快门a11的输出端与双分叉x型光纤1的其中一个入射端光纤连接；所述对目标信号采集机构包括快门b12，快门b12的输出端与双分叉x型光纤1的另外一个入射端光纤连接；所述双分叉x型光纤1的两个出口端光纤3分别与两个目的监测光谱仪13连接。在本实施例中，采集控制系统优选为基于linux操作系统，硬件：树莓派raspberry，arm芯片平台下开发相应的软件功能。无人机系统包括无人机机体、gps模块、天线、rtk模块等，可根据实际应用需求灵活选用市场成熟产品。

其中，对天空信号采集机构和两个目的监测光谱仪13固定安装于无人机机体10上的系统盒4内，所述无人机机体10的底部设有三维增稳云台9，所述三维增稳云台9的工作台上固定有转接件6，所述快门b12固定在转接件6上；所述转接件6上还安装有高清相机8。

系统设计高清相机8目的是为了在对地测试时，观察待测目标区域，高清相机8拍摄的视场可以确定，通过软件设计和计算，可以计算出对地端光纤在接上成像镜头7后，光纤所拍摄的区域，而高清相机8与成像镜头7、对地端的光纤都是固定在一个模块结构中的，不会发生相对位移，所以上述过程中利用激光器发出的绿色光斑来寻找对地端光纤的视场，通过算法可以确定高清相机8拍摄视场中的某特定区域是对地端光纤拍摄的视场。在实际采集数据时，由于无人机可以通过规划航点或者手动方式来完成飞行任务，那么借助地面上对系统的精准定位，可以很方便的通过地面上的监视平台来确定无人机悬停位置是否为待测目标区域，也就是实现了所见即所得。

光谱仪测量天空背景辐射方便、快捷、准确。通过光纤将光谱仪与环境隔离，在使用过程中精密光学元件不受环境污染，不易损坏，适合户外工作，同时，还可以依据研究需要在测试应用过程中通过配置不同波段范围，不同光谱分辨率或者不同测量精度的光谱仪来完成数据的测量和采集任务，与无人机结合能够很好的实现户外灵活作业，且通用范围更为广泛。

实施例5

本实施例在实施例4的基础上进一步优化，具体地为：

两个目的监测光谱仪13分别为植被反射率信号检测光谱仪和太阳光诱导叶绿素荧光信号检测光谱仪。应用于测量植被的反射光谱、太阳光诱导叶绿素荧光信号，推动近地测量太阳诱导的荧光，以支持空间观测和植被光合作用过程中所需要的模型验证。

本实施例中，优选采用海洋光学的flame光谱仪和qepro光谱仪分别测试植被的反射率信号和太阳光诱导叶绿素荧光信号。在实际使用过程中，需要对同一目标进行监控时，要在非常短暂的时间内完成对待监测区域的反射光谱信息和叶绿素荧光信息的获取，flame光谱仪的光谱探测器范围350nm-1100nm，关注的是待测目标的反射率信息，而qepro光谱仪的光谱范围只有650nm-800nm，关注的是760nm处的o2-a和689nm处的o2-b信号。

在信号获取的过程中，一方面flame光谱仪要实时获取对目标的反射光谱信息，同时还要获取同一时间下太阳光的辐射信号以及各自的背景；另一方面qepro光谱仪也需要在非常短暂的时间内实时获取到此目标的太阳光诱导荧光信号和此时太阳光的辐射信息以及二者各自对应背景信息。针对同一待测目标，利用双分叉x型光纤在非常短暂的时间内完成两个光谱仪对地探测信号的采集和对太阳光的信号采集，以及各自信号暗背景信号的采集，也就是说，flame光谱仪和qe光谱仪最终能够同时接收天空、对天暗背景的信号，经过10ms的采集之后，又能快速的同步采集对天、对地的暗背景两种信号。在传送、耦合、分光等功能上效果突出。结合无人机能够实现不同高度、续航能力强、操控简单等特点，可对大面积目标中的多个不同研究对象进行探测、分析研判，能够有效、精准的获取到被测目标的光谱精细结构信息，整体系统灵活、采集效率及收光效率得到有效提升。