一種基于多角度偏振成像的地物密度和巖石檢測裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于多角度偏振成像的地物密度和巖石檢測裝置，包括一輻射特性穩定光源、一多角度觀測平臺、一高光譜成像裝置、一計算機和一供電電源；所述高光譜成像裝置包含一偏振組件、一光學鏡頭、一成像單元和一偏振組件調節裝置，其中偏振組件、光學鏡頭和成像單元順序同軸排列，光學鏡頭與成像單元固連且成像單元位于光學鏡頭的成像面上；所述計算機連接所述多角度觀測平臺和高光譜成像裝置。本發明的裝置能夠獲取巖石高光譜、偏振和圖像三重信息，并利用設計的偏振模型自動實現巖石檢測及巖石密度測量。
【專利說明】一種基于多角度偏振成像的地物密度和巖石檢測裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種地物識別測量裝置，特別是一種利用偏振原理測定地物密度及識別巖石的檢測裝置。
【背景技術】
[0002]遙感技術已經由定性遙感進入定量遙感階段，相應的微波遙感，高光譜遙感的定量化研究有著重要的應用、發展前景，而偏振遙感的產生是空間遙感技術發展的新方向。偏振遙感充分利用到光的偏振特性，與其它遙感方法有著一些突出的優點:如云和氣溶膠的粒徑分布問題；目標的偏振測量精度無需準確的輻射量校準就可達到相當高的精度；在取得偏振測量結果的同時，還能夠提供輻射量的測量數據。因此，偏振遙感受到極大的關注。
[0003]傳統的遙感通常只考慮地物的波譜特性而忽略了地物的方向特性，由于地物的方向是地物識別的重要特性，能夠還原其非朗伯體的本來面目，因此需要研究能夠獲得地物的多角信息及偏振信息的光譜測量裝置。
[0004]借助遙感手段研究地質構造和成礦特性有著廣泛的應用前景，巖石的多角度信息及偏振信息對于巖石識別和物理特性測量具有重要意義。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種巖石識別及表面密度估計裝置，用于獲取巖石高光譜、偏振和圖像三重信息，并利用設計的偏振模型自動實現巖石檢測及巖石密度測量。
[0006]為實現上述目的，本發明采取以下技術方案:
[0007]—種基于多角度偏振成像的地物密度和巖石檢測裝置，包括一輻射特性穩定光源、一多角度觀測平臺、一高光譜成像裝置、一計算機和一供電電源；所述高光譜成像裝置包含一偏振組件、一光學鏡頭、一成像單兀和一偏振組件調節裝置，其中偏振組件、光學鏡頭和成像單元順序同軸排列，光學鏡頭與成像單元固連且成像單元位于光學鏡頭的成像面上；所述計算機連接所述多角度觀測平臺和高光譜成像裝置。
[0008]進一步地，所述偏振組件包含了一偏振片殼體，以及放置在所述偏振片殼體中的起偏器和檢偏器；所述偏振組件調節裝置位于所述高光譜成像裝置的前端，用以調節偏振組件的狀態和位置。巖石反射的光譜信息進入該偏振器件，起偏器獲取跟偏振方向一致的線偏振光，通過調節檢偏器得到兩個偏振片的偏振方向的不同夾角，即得到光強和光弱的偏振效果。利用檢偏器可以精確調節偏振度等偏振參數，通過傳輸裝置直接輸入計算機中相應的軟件數據庫，用于進行后續處理。
[0009]進一步地，所述成像單元通過調節積分時間及量化等級實現接收信號的數字化；所述成像單元包括:一成像傳感器，位于所述光學鏡頭的成像面上，對接收到的多角度觀測圖像進行廣電轉換；一信號獲取與處理電路，用于接收所所述成像傳感器光電轉換后的圖像，并對該圖像進行模數轉換后輸入計算機，同時用于接收設置好的圖像參數；一相機快門控制電路，通過異步串行通信接口電連接所述計算機，用于接收相機快門控制電路的積分時間與曝光頻率。
[0010]進一步地，所述的多角度觀測平臺包括一可旋轉的支撐平臺，以及一置于該支撐平臺上的用于調節測量的天頂角和方位角的多角度觀測架。所述多角度觀測架可以旋轉用以精確調節測量時的天頂角及方位角，并將角度信息通過傳輸裝置直接輸入計算機數據庫中。多角度觀測架上每隔5°為一個入射方位，從天頂角算起，在0°?75°變化，這樣光源在該支架上可以根據測量需要來調節光源入射角度的大小。該多角度觀測架是可以轉動的，因此其方位角為0°?360°，并且每隔15°為一個數據采集點(即傳感器采樣的位置)，這樣在水平方向上一次可以測到24個數據。優選地，該多角度觀測架上設有7個探測頭，探測角的范圍為0°?60°，每個探測頭的角度間隔是10°。
[0011]進一步地，還包括一調節所述高光譜成像裝置的高度的升降裝置，采用折疊雙向導向裝置實現升降，不同的高度可以獲得不同的分辨率光譜。
[0012]進一步地，所述光源采用溴鎢燈，使光線在被照射的目標物上獲得均勻光斑。由于溴鎢燈發光的色溫一般在3000° K以上，發光穩定，能夠使光線穩定照射在巖石上，因此用作測光強的光源很合適。
[0013]進一步地，所述計算機采用自動控制系統，多角度觀測架在支撐平臺上通過計算機控制能自動旋轉并采集數據，實現計算機直接對光譜數據進行自動測量、采集、存儲和顯示。該計算機中包含:一參數設置模塊，用于積分時間、曝光頻率及成像單元中圖像參數設置；一記錄存儲模塊，用于記錄并存儲設置的參數，存儲100%反射的參考板圖像及探測圖像。
[0014]本發明可以同時獲得巖石的多角度信息及偏振光譜信息，對數據能夠實時采集記錄，并能夠控制測量參數，具有較高的自動化，最終通過計算機直接顯示出巖石的密度信息，并能夠與數據庫中的巖石標本數據進行比對。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明的檢測裝置的工作原理圖。
[0016]圖2是本發明的采用多角度觀測架進行測量的示意圖。
[0017]圖3是本發明的偏振器件示意圖。
[0018]圖4是本發明的升降裝置示意圖。
[0019]圖5是本發明的旋轉支撐平臺示意圖。
[0020]圖6是本發明的成像單元組成框圖。
[0021]圖7是本發明不同巖石樣品在不同波段下的偏振度圖。
[0022]圖8是本發明不同巖石樣品在不同波段下的無偏反射光譜圖。
【具體實施方式】
[0023]下面通過具體實施例和附圖，對本發明做進一步說明。
[0024]圖1是本發明的檢測裝置的工作原理圖，如圖所示，01是本發明的檢測裝置直接測得的巖石表面反射光譜和偏振反射光譜，作為巖石的最初測定的物理量。02，03是處理系統將采集的非偏振信息和偏振信息存儲到相應的數據庫，接下來分別對兩種信息進行處理。對于多角度反射光譜，利用空間模型，記錄方位角、探測角等參量，直接計算出巖石的反射比04 ;對于偏振反射光譜，分析得到巖石的物理及化學性質05。
[0025]圖2是一個進行測量的模擬簡圖，07是15w的溴鎢燈，作為輻射光源，光源在多角度觀測架上移動可以得到不同的天頂角，08示意的是本發明的高光譜成像裝置，可以得到偏振光譜信息，同樣可以通過在多角度觀測架上移動得到不同的天頂角，光源的參數信息及探測器的參數和接收的巖石反射信息可以通過傳輸線路送入計算機，用于信息存儲和分析。09為選擇平臺，用于調節方位角。
[0026]本發明的高光譜成像裝置08包含一偏振組件、一光學鏡頭、一成像單兀和一偏振組件調節裝置，其中偏振組件、光學鏡頭和成像單元順序同軸排列，光學鏡頭與成像單元固連且成像單元位于光學鏡頭的成像面上。偏振組件用于獲得偏振光譜，如圖3所示，其中11為起偏器，12為檢偏器，巖石反射的光譜信息進入偏振系統，起偏器獲取跟偏振方向一致的線偏振光，通過調節12得到兩個偏振片的偏振方向的不同夾角，即得到光強和光弱的偏振效果，最后利用光學鏡頭，成像單元等(如圖3中13所示)得到巖石的光譜信息。
[0027]圖4的(a)、(b)所示是本發明的升降裝置，用于調節高光譜成像裝置08的高度，不同的高度可以獲得不同的分辨率光譜，連桿16用于連接高光譜成像裝置08，17為電機，提供升降動力，18為升降箱體，內部采用折疊雙向導向裝置14實現升降，電機將動力通過絲杠傳輸到絲杠螺母15上，絲杠螺母15同連桿16是固定連接，絲杠螺母15直接同連桿16相連動力直接傳輸到升降臺上，使得升降臺可以上下運動，實現升降臺的調節作用，從而實現對探測器高度的調節。
[0028]圖5是可以旋轉的支撐平臺，所述多角度觀測架置于該支撐平臺上。該支撐平臺采用四桿支撐，為45號鋼桿件結構，該支撐平臺主要采用鑄鐵為材料。觀測平臺的旋轉采用一種蝸輪蝸桿傳動機構，通過電機傳動動力到蝸桿上，再通過蝸桿將動力傳送到蝸輪上，然后通過軸傳遞到觀測平臺上，實現觀測平臺的旋轉。
[0029]圖6是本發明的高光譜成像裝置08之內的成像單元，包括一成像傳感器，一偏振信號獲取與處理電路和一相機快門控制電路。成像傳感器位于光學鏡頭的成像面上，對接收到的光譜圖像進行光電轉換，輸入偏振信號獲取與處理電路中。
[0030]偏振信號獲取與處理電路的作用具體為:
[0031]I)用于對輸入的信號進行模數轉換，并將轉換后的數字信號輸入計算機；
[0032]2)用于接收圖像參數，該參數包括圖像的數據位深、圖像存儲格式、圖像的像素數、色彩的亮度、飽和度和環境參數等，其中的圖像數據位深包括8位、10位和12位等三種位深，圖像存儲格式包括BMP、TIFF和RAW等三種圖像存儲格式。上述各種參數可以通過計算機異步串行通信輸入，也可以由人為直接在成像單元上設置。
[0033]相機快門控制電路通過一異步串行通信接口電連接計算機，用于接收相機快門控制電路的積分時間與曝光頻率。本實施例中，偏振信號獲取與處理電路與相機快門控制電路可以采用基于FPGA和32位RISC處理器實現。
[0034]本發明利用上述裝置實驗測量了一些巖石樣本。這些巖石編號為Xl?xl4。其中xl, x3, x4, x5, x6, x8, x9, xlO均是安山巖；x2是英安巖；x7是凝灰巖；xll是凝灰巖；xl3是正長巖；xl2是輝石粗安巖；xl4是玄武粗安巖。安山巖是娃酸鹽,在350?2500nm波段上除了水的特征吸收波段1.4 μ m和1.9 μ m，其它特征波段均不顯著。
[0035]圖7和圖8為得到的偏振度和反射光譜圖。圖7為14塊巖石樣本的偏振度，采用的入射天頂角50°，探測天頂角50°，探測方位角180° ;均使用120#磨料研磨表面。圖8為14塊巖石的無偏反射光譜圖。圖7、8可以通過巖石不同波段的偏振度及反射比信息，構建出巖石密度測量的模型。
[0036]以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其進行限制，本領域的普通技術人員可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明的精神和范圍，本發明的保護范圍應以權利要求所述為準。
【權利要求】
1.一種基于多角度偏振成像的地物密度和巖石檢測裝置，其特征在于，包括一輻射特性穩定的光源、一多角度觀測平臺、一高光譜成像裝置、一計算機和一電源；所述高光譜成像裝置包含一偏振組件、一光學鏡頭、一成像單元和一偏振組件調節裝置，其中偏振組件、光學鏡頭和成像單元順序同軸排列，光學鏡頭與成像單元固連且成像單元位于光學鏡頭的成像面上；所述計算機連接所述多角度觀測平臺和高光譜成像裝置。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述偏振組件包含一偏振片殼體，以及放置在所述偏振片殼體中的起偏器和檢偏器。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述偏振組件調節裝置位于所述高光譜成像裝置的前端，用以調節偏振組件的狀態和位置。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述成像單元通過調節積分時間及量化等級實現接收信號的數字化。
5.如權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述成像單元包括: 一成像傳感器，位于所述光學鏡頭的成像面上，對接收到的多角度觀測圖像進行廣電轉換； 一信號獲取與處理電路，用于接收所所述成像傳感器光電轉換后的圖像，并對該圖像進行模數轉換后輸入計算機，同時用于接收設置好的圖像參數； 一相機快門控制電路，通過異步串行通信接口電連接所述計算機，用于接收相機快門控制電路的積分時間與曝光頻率。
6.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的多角度觀測平臺包括一可旋轉的支撐平臺，以及一置于該支撐平臺上的用于調節測量的天頂角和方位角的多角度觀測架。
7.如權利要求6所述的裝置，其特征在于:所述多角度觀測架上每隔5°為一個入射方位，從天頂角算起在0°?75°變化，以根據測量需要來調節光源入射角度的大小；所述多角度觀測架可以轉動，其方位角為0°?360°，每隔15°為一個數據采集點；所述多角度觀測架上探測架上設有7個探測頭，探測角的范圍為0°?60°，每個探測頭的角度間隔是10。。
8.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述計算機包含:一參數設置模塊，用于積分時間、曝光頻率及成像單元中圖像參數設置；一記錄存儲模塊，用于記錄并存儲設置的參數，存儲100%反射的參考板圖像及探測圖像。
9.如權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述光源采用溴鎢燈，提供穩定平行光。
10.如權利要求1所述的裝置，其特征在于:還包括一調節所述高光譜成像裝置的高度的升降裝置，采用折疊雙向導向裝置實現升降。
【文檔編號】G01N21/31GK103743649SQ201310750971
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】晏磊, 趙虎, 楊彬, 張飛舟, 相云, 陳偉, 吳太夏, 楊鵬, 焦健楠 申請人:北京大學