点扫式成像的宽波段高光谱成像系统及其成像方法与流程

1.本发明涉及成像光谱技术领域。


背景技术：

2.高光谱相机不仅能够获得物体的空间分布信息还能同步获得其光谱信息用于分析物质成分，在农业病虫害检测、林业树种识别、水环境检测等领域发挥着重要作用。目前主流的高光谱成像系统多为位移型和凝视型，位移型高光谱成像系统单次拍照获取空间维一条线的空间信息及其光谱信息，因此需要位移机构实现全局成像。凝视型高光谱成像系统单次拍照获取空间维信息及单个波段的光谱信息，因此需要不停的拍照及通过可调滤光片进行切换获取不同波段的空间维信息及光谱信息。无论位移型还是凝视型的高光谱成像系统均价格高昂，特别是近红外波段的高光谱成像仪其价格可达百万左右。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题在于提供了一种制造成本低廉、光谱分辨率及空间分辨率好的宽波段高光谱成像系统及其成像方法。
4.本发明实施例提供了一种点扫式成像的宽波段高光谱成像系统，包括光源组件、光纤光谱仪组件、三维位移台和控制装置；光源组件包括光源、第一光纤和光源光纤会聚镜，光源通过第一光纤与光源光纤会聚镜连接；光纤光谱仪组件包括光纤光谱仪、第二光纤和光谱仪光纤会聚镜，光纤光谱仪通过第二光纤与光谱仪光纤会聚镜连接；三维位移台用于承载被测物体；光源光纤会聚镜和光谱仪光纤会聚镜均固定于三维工作台，且光源光纤会聚镜和光谱仪光纤会聚镜均聚焦于同一空间点；控制装置用于控制三维位移台的运动以及接收光纤光谱仪发送的图像数据和光谱数据，通过控制三维位移台的运动实现光源光纤会聚镜和光谱仪光纤会聚镜对被测物体的逐点扫查，获取被测物体的高光谱数据立方体。
5.本发明实施例还提供了一种点扫式成像的宽波段高光谱成像系统的成像方法，包括以下步骤：a、将被测物体放到三维位移台上，被测物体具有被测区域，被测区域包括起始被测行和终止被测行；b、通过控制装置控制三维位移台运动，以使光源光纤会聚镜和光谱仪光纤会聚镜的焦点位于被测物体的起始被测行的起始被测点；c、完成被测物体的起始被测行的起始被测点的光谱数据和图像数据的采集后，控制装置控制三维位移台带动光源光纤会聚镜和光谱仪光纤会聚镜沿横向移动一预定的距离s1，以使光源光纤会聚镜和光谱仪光纤会聚镜的焦点位于被测物体的起始被测行的下一个被测点；d、重复步骤c，直至控制装置完成整个起始被测行的光谱数据和图像数据的采集；e、控制装置控制三维位移台带动被测物体纵向移动一预定的距离s2，以使光源光纤会聚镜和光谱仪光纤会聚镜的焦点位于被测物体的下一被测行的起始被测点；
f、完成被测物体的下一被测行的起始被测点的光谱数据和图像数据的采集后，控制装置控制三维位移台带动光源光纤会聚镜和光谱仪光纤会聚镜沿横向移动一预定的距离s1，以使光源光纤会聚镜和光谱仪光纤会聚镜的焦点位于被测物体的下一被测行的下一个被测点；g、重复步骤f，直至控制装置完成整个下一被测行的光谱数据和图像数据的采集；h、依此类推，直至控制装置完成对终止被测行的光谱信息和图像信息的采集；i、控制装置对被测物体的所有被测点的图像数据和光谱数据进行处理，获得整个被测物体的高光谱数据立方体。
6.本发明至少具有以下优点：根据本发明实施例的宽波段高光谱成像系统及其成像方法通过价格便宜的光纤光谱仪及三维位移台即可实现对被测物体的宽波段高光谱数据立方体采集，从而可以取代现有的位移型高光谱成像系统及凝视型高光谱成像系统，解决了因采用位移型高光谱成像系统及凝视型高光谱成像系统而导致的成本高昂的问题，本发明实施例的宽波段高光谱成像系统不仅价格低廉，而且光谱分辨率及空间分辨率均优于目前市面上的高光谱成像系统。
附图说明
7.图1示出了根据本发明一实施例的宽波段高光谱成像系统的示意图。
8.图2示出了根据本发明一实施例的光源光纤会聚镜和光谱仪光纤会聚镜对被测物体的进行逐点扫查的原理示意图。
9.图3示出了根据本发明一实施例的宽波段高光谱数据立方体的示意图。
具体实施方式
10.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，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，而不构成对本发明的限制。
11.图1示出了根据本发明一实施例的宽波段高光谱成像系统的示意图，请参考图1。根据本发明实施例的一种点扫式成像的宽波段高光谱成像系统，包括光源组件、光纤光谱仪组件、三维位移台3和控制装置4。
12.光源组件包括光源10、第一光纤11和光源光纤会聚镜12，光源10通过第一光纤11与光源光纤会聚镜12连接。
13.本实施例中，光源10为宽波段卤素灯光源；光源光纤会聚镜12的数量为两个。第一光纤11的数量为两根，该两根第一光纤11的输入端与光源10连接，该两根第一光纤11的输出端分别连接两个光源光纤会聚镜12。设置两个彼此相对的光源光纤会聚镜12是为了保证光源的均匀性，如果是设置一个光源光纤会聚镜12的话会由于光源角度的原因容易使得成像区域的光照不均。
14.光纤光谱仪组件包括光纤光谱仪、第二光纤21和光谱仪光纤会聚镜22，光纤光谱仪通过第二光纤21与光谱仪光纤会聚镜22连接。
15.本实施例中，光纤光谱仪为200-2500nm光纤光谱仪，该200-2500nm光纤光谱仪包
括200-1000nm光纤光谱仪20a及900-2500nm制冷型光纤光谱仪20b。光谱仪光纤会聚镜22的数量为一个。第二光纤21为一分二光纤，该一分二光纤具有输入端、第一输出端和第二输出端，一分二光纤的输入端与光谱仪光纤会聚镜22连接，一分二光纤的第一输出端和第二输出端分别连接200-1000nm光纤光谱仪20a和900-2500nm制冷型光纤光谱仪20b。可选地，上述的一分二光纤为一分二的y形600μm光纤。
16.三维位移台3用于承载被测物体9。光源光纤会聚镜12和光谱仪光纤会聚镜22均固定于三维工作台3，且光源光纤会聚镜12和光谱仪光纤会聚镜22均聚焦于同一空间点。
17.本实施例中，三维位移台3包括滑动台31、载物台32、滑动台上下位移机构、滑动台横向位移机构以及载物台纵向位移机构。
18.载物台32用于承载被测物体9。光源光纤会聚镜12和光谱仪光纤会聚镜22均固定于滑动台31。光源光纤会聚镜12和光谱仪光纤会聚镜位于被测物体9的上方。载物台纵向位移机构用于带动载物台32纵向移动，滑动台上下位移机构用于带动滑动台31上下移动，滑动台横向位移机构用于带动滑动台31横向移动。
19.本实施例中，横向方向为x轴方向，纵向方向为y轴方向，上下方向为z轴方向。
20.在本实施例中，滑动台31可在三维位移台3的横梁33上横向移动，横梁33可沿着三维位移台3的一对立柱34上下移动，载物台32可在三维位移台3的底座35上纵向移动。为此，横梁33、一对立柱34以及底座35上设有导轨，而滑动台31、横梁33以及载物台32上设有相应的滑块。载物台纵向位移机构、滑动台上下位移机构以及滑动台横向位移机构均包括伺服电机、联轴器以及丝杆传动机构组成，电机通过联轴器与丝杠连接，前述的滑块设置在丝杆上。
21.控制装置4用于控制三维位移台3的运动以及接收光纤光谱仪发送的图像数据和光谱数据，通过控制三维位移台3的运动实现光源光纤会聚镜12和光谱仪光纤会聚镜22对被测物体9的逐点扫查，获取被测物体9的高光谱数据立方体。
22.本实施例中，控制装置4包括三维位移台控制器41和计算机42。三维位移台控制器41分别与滑动台上下位移机构、滑动台横向位移机构以及载物台纵向位移机构电连接，以控制滑动台31和载物台32的运动。计算机42与三维位移台控制器41通信连接，用于通过三维位移台控制器41控制三维位移台3的运动，并接收光纤光谱仪发送的图像数据和光谱数据，获取被测点的高光谱数据立方体。
23.根据本发明实施例的点扫式成像的宽波段高光谱成像系统的成像过程包括以下步骤：a、将被测物体9放到三维位移台的载物台32上，被测物体9具有被测区域，被测区域包括起始被测行l1和终止被测行lm，如图2所示，图2中的矩阵方格仅仅用于示意性地示出被测区域的被测点，并不代表被测物体9表面具有这样的方格；b、打开光源1，通过控制装置4控制三维位移台的滑动台31运动，以使光源光纤会聚镜12和光谱仪光纤会聚镜22的焦点位于被测物体的起始被测行的起始被测点911；其中，滑动台31可以通过滑动台横向位移机构实现对被测物空间维x的点扫移动，根据不同被测物体的厚度，通过滑动台上下位移机构实现对起始被测点911的聚焦成像，光源1用于为被测点提供照明，200-1000nm光纤光谱仪20a和900-2500nm制冷型光纤光谱仪20b可同时获得相应波段的图像数据及光谱数据，并将其传送给计算机42；
c、完成被测物体的起始被测行的起始被测点911的光谱数据和图像数据的采集后，控制装置控制三维位移台的滑动台31带动光源光纤会聚镜12和光谱仪光纤会聚镜22沿横向移动一预定的距离s1，以使光源光纤会聚镜12和光谱仪光纤会聚镜22的焦点位于被测物体9的起始被测行l1的下一个被测点912；d、重复步骤c，直至控制装置完成整个起始被测行l1的光谱数据和图像数据的采集；e、控制装置控制三维位移台的载物台32带动被测物体9纵向移动一预定的距离s2，以使光源光纤会聚镜12和光谱仪光纤会聚镜22的焦点位于被测物体9的下一被测行的起始被测点；f、完成被测物体的下一被测行的起始被测点的光谱数据和图像数据的采集后，控制装置控制三维位移台的滑动台31带动光源光纤会聚镜12和光谱仪光纤会聚镜22沿横向移动一预定的距离s1，以使光源光纤会聚镜12和光谱仪光纤会聚镜22的焦点位于被测物体9的下一被测行的下一个被测点；g、重复步骤f，直至控制装置4完成整个下一被测行的光谱数据和图像数据的采集；h、依此类推，直至控制装置4完成对终止被测行lm的光谱信息和图像信息的采集；i、控制装置4通过图像软件对被测物体的所有被测点的图像数据和光谱数据进行拼接拟合处理，即可获得整个被测物体9的200-2500nm宽波段的高光谱数据立方体。拼接包含了空间维的光谱数据的拼接和图像数据的拼接，拟合为光谱维的数据的处理方式。
24.换而言之，在本发明实施例中，通过横线上等间距的连续采集即可获得被测物体有限宽度的空间维x的光谱信息和图像信息，该宽度的光谱信息和图像信息采集完成以后，被测物体通过被测物纵向位移结构在空间维y方向移动到下一个宽度的位置再重复上一步骤，不断地重复上述步骤后完成被测物体空间维x、y的所有位置采集，系统在空间维y包含m列像素，在空间维x包含n列像素，最终获得被测物体的高光谱数据立方体，如图3所示。
25.本发明实施例通过与光纤光谱仪连接的光谱仪光纤会聚镜即可完成一个单元点的高光谱数据立方体的采集，通过三维位移台可进行不同厚度的物质检测及完成对整个被测物各单元点的高光谱数据立方体的点扫采集，最后使用软件拼接拟合即可得到被测物完整的高光谱数据立方体。本发明实施例的宽波段高光谱成像系统整机系统结构紧凑，价格便宜，丝杠滑台传动平稳，成像质量好。
26.本发明实施例通过两台光纤光谱仪对被测物各单元点进行逐一点扫拼接后即可获得被测物200-2500nm宽波段的光谱数据立方体，取代了现有的位移型高光谱成像系统及凝视型高光谱成像系统，整机成本大幅降低。
27.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。