一种贯入式高光谱成像探测装置及方法

本技术涉及岩土探测领域，尤其是涉及一种贯入式高光谱成像探测装置及方法。

背景技术：

1、高光谱成像技术利用分光元件将不同波长的光线区分开来并在图像传感器上分别成像，进而获取不同光谱范围内目标物体的图像信息。通过进一步分析光的强度与波长之间的关系，可以得到感兴趣区域内目标的物质结构信息，进而获得包括土体矿物和各类有机污染物在内的物质的分布情况。

2、高光谱成像技术不仅能够获取目标物体的二维空间位置信息，而且在每一个像素上获取完整的光谱信息，形成一个三维的数据立方体。高光谱成像技术能够获取数百个波段的光谱信息，其在光谱维上的信息获取能力已经接近于非成像的连续光谱分析技术。正是由于这种突出的信息获取能力，高光谱成像技术已经在近地遥感、农作物健康监测和文物保护等领域得到广泛应用。

3、然而，目前采用高光谱成像技术对土体进行探测时，通常需要先钻取土样，再使用光谱扫描仪对土样进行检测并获取高光谱数据，探测效率不高。且由于土体中水、矿物和污染物等目标物的分布具有较大的时空变异性，取样有可能不具备代表性，因此，需要一种高光谱成像探测装置实现土体的原位探测，获取原位土体的高光谱图像和物质结构信息。

技术实现思路

1、为了实现土体的原位高光谱成像探测，本技术提供一种贯入式高光谱成像探测装置及方法。

2、本技术提供的一种贯入式高光谱成像探测装置采用如下的技术方案：

3、一种贯入式高光谱成像探测装置，包括：

4、外壳，所述外壳的一端固定设置有圆锥形探头；

5、多个光学视窗，沿所述外壳周向间隔分布；

6、光源，安装于所述光学视窗内，所述光源发出的光可透过所述光学视窗进入土体，土体中目标物的反射光可透过所述光学视窗进入所述外壳；

7、所述外壳内设置有：

8、面阵光纤传感器，用于接收目标物的反射光并输出两个空间维的信息，包括面形成像区域内目标物的空间位置信息；

9、线扫描高光谱传感器，用于接收目标物的反射光并输出一个空间维和一个光谱维的信息，所述空间维的信息包括线形成像区域内目标物的空间位置信息，所述光谱维的信息包括目标物的光谱信息；

10、无线收发器，用于上传测试数据和接受控制信号；

11、数据处理芯片，用于对所述面阵光纤传感器和所述线扫描高光谱传感器的电信号进行分析处理，解析得到包含目标物空间位置和光谱信息的数据体并发送到所述无线收发器；

12、电源，用于对所述光源、所述面阵光纤传感器、所述线扫描高光谱传感器、所述数据处理芯片和所述无线收发器供电。

13、探测时，使用贯入设备和探杆将本装置贯入地层，光源发出的光线透过光学视窗进入土体并照射在目标物上发生反射，反射光被面阵光纤传感器接收并输出面形成像区域内目标物的空间位置信息，反射光被线扫描高光谱传感器接收并输出线形成像区域内目标物的空间位置信息和光谱信息，数据处理芯片将面阵光纤传感器和线扫描高光谱传感器的电信号进行分析处理，解析得到包含目标物空间位置和光谱信息的数据体，并通过无线收发器上传到地面计算机，地面计算机对上传的数据进行分析处理，输出视频、图像和光谱特征信息，通过与实验室内物质的光学指纹库进行对比分析，获得目标物的物质组成结构等信息。

14、本技术结构紧凑，便于在狭窄空间内集成使用，能够同时获取深部原位土体的高光谱图像和物质结构信息，能够有效检测地下深处的地下水、矿产和污染物等目标物的分布和变化情况；在装置静止和运动的状态下均能有效成像，光谱分辨率高且成像速度快，免去大量复杂的图像校正和拼接工作，有助于提高探测效率。

15、进一步地，所述面阵光纤传感器包括依次连接的面阵光纤阵列、面阵光纤束和面图像传感器，所述面阵光纤阵列设置于所述光学视窗的内侧面，所述面阵光纤阵列的轴向与所述光学视窗的内侧面垂直。

16、光源发出的光线照射在目标物上发生反射，透过光学视窗进入面阵光纤阵列，光线在面阵光纤束内发生全反射后进入面图像传感器进行信号处理。

17、进一步地，所述面图像传感器包括光纤解码器和面成像电荷耦合器件；所述光纤解码器连接于所述面阵光纤束的输出端，用于将图像编码信号解码为二维光信号；所述面成像电荷耦合器件连接于所述光纤解码器，用于将解码的二维光信号转化为电信号，所述面成像电荷耦合器件的两个维度均为空间维，用于输出面形成像区域内目标物的空间位置信息。

18、进一步地，所述线扫描高光谱传感器包括依次连接的线阵光纤阵列、线阵输入光纤束、线分光器、面阵输出光纤束和线图像高光谱传感器，所述线阵光纤阵列设置于所述光学视窗的内侧面，线阵光纤阵列的轴向与所述光学视窗的内侧面垂直。

19、光源发出的光线照射在目标物上发生反射，透过光学视窗进入线阵光纤阵列，光线在线阵输入光纤束内发生全反射后进入线分光器，线分光器将复合光线分解为不同波段的离散光线，通过面阵输出光纤束进入线图像高光谱传感器进行信号处理。

20、进一步地，所述线分光器包括分光器外壳和位于所述分光器外壳内且沿光路依次设置的输入光纤准直器、定向分光器件和输出光纤准直器，所述输入光纤准直器、所述定向分光器件和所述输出光纤准直器共轴线。

21、光线依次经过输入光纤准直器、定向分光器件和输出光纤准直器，将复合光线分解为不同波段的离散光线。

22、进一步地，所述定向分光器件为定向光栅-棱镜-衍射光栅-棱镜复合结构，所述定向光栅将发散光规制为平行光，所述衍射光栅将通过定向光栅的复合光线分解为多个具有不同波长的离散光线。

23、通过定向光栅-棱镜-衍射光栅-棱镜复合结构进行调光和分光，光路结构简单，且没有活动部件，抗震动干扰能力强。

24、进一步地，所述分光器外壳的内壁设有黑色吸光涂层，所述分光器外壳与所述输入光纤准直器之间设置有消杂光光阑。

25、黑色吸光涂层和消杂光光阑可消减非成像光，改善成像效果。

26、进一步地，所述线图像高光谱传感器包括光纤解码器和线成像电荷耦合器件；所述光纤解码器连接于所述面阵输出光纤束的输出端，用于将图像编码信号解码为二维光信号；所述线成像电荷耦合器件连接于所述光纤解码器，用于将解码的二维光信号转化为电信号，所述线成像电荷耦合器件包括一个空间维和一个光谱维，空间维用于输出线形成像区域内目标物的空间位置信息，光谱维用于输出目标物的光谱信息。

27、本技术还提供的一种贯入式高光谱成像探测方法，包括以下步骤：

28、步骤1：开启光源、面阵光纤传感器、线扫描高光谱传感器和无线收发器，使用探杆和贯入设备将所述贯入式高光谱成像探测装置贯入地层；

29、步骤2：面阵光纤传感器将土体中目标物的反射光转化为电信号，输出两个空间维的信息；线扫描高光谱传感器将土体中目标物的反射光转化为电信号，输出一个空间维和一个光谱维的信息；

30、步骤3：面阵光纤传感器和线扫描高光谱传感器将电信号发送到数据处理芯片，解析得到包含目标物的空间位置和光谱信息的数据体，并通过无线收发器上传到地面计算机；

31、步骤4：地面计算机对上传的数据进行分析处理，输出视频、图像和光谱特征信息，将光谱特征信息与实验室内物质的光学指纹库进行对比分析，获得目标物的物质组成结构信息。

32、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

33、1.本技术采用光纤束代替了传统高光谱成像设备中的相机镜头和光路改造结构，结构紧凑、体积小，便于在狭窄空间内集成使用，能够同时获取深部原位土体的高光谱图像和物质结构信息，能够有效检测地下深处的地下水、矿产和污染物等目标物的分布和变化情况；

34、2.本技术同时采用面阵光纤成像和线阵光纤成像技术，使得装置在静止和运动的状态下均能有效成像，光谱分辨率高且成像速度快，免去大量复杂的图像校正和拼接工作；

35、3.本技术采用光纤束和定向光栅-棱镜-衍射光栅-棱镜复合结构进行调光和分光，光路结构简单，且没有活动部件，抗震动干扰能力强；

36、4.本技术采用内置电源和无线收发器的自容式结构，无需供电和信号传输电缆，减少电能和信息损耗，有效提高信息获取质量和能力。