一種多光譜成像系統的制作方法

本發明涉及光譜成像技術領域，尤其涉及一種多光譜成像系統。

背景技術：

隨著科學技術的不斷發展，航空遙感技術已經被廣泛應用于農業、測繪、海洋探測和軍事偵察等諸多領域，它正逐漸成為人們獲取各種空間信息、發現和識別目標最重要手段之一。利用搭載在飛機上的遙感儀器進行對地觀測，具有快速、靈活、機動性高的優點。對于遙感對地觀測來說，提高對目標的探測能力不僅僅依賴空間分辨率的提高，還依賴相機覆蓋的波段范圍及波段數。顯然這就涉及到光譜成像技術，通過獲得地物幾個或更多波段的光譜信息，實現目標空間信息、輻射信息、光譜信息的同步獲取，能夠提高對目標特性的綜合探測感知與識別，極大地擴展了遙感探測技術的目標分辨、監測能力。

多光譜成像技術是上世紀60年代初期出現的一種遙感技術，其波段范圍及波段數的選擇與應用目標直接相關，通過對特定譜段信息和全色信息的獲取，對揭示目標的各種物化性質、提高目標識別能力具有重要意義。按照它光譜獲取方式的不同，大致可分為多相機式、單鏡頭多路分光式、以及濾光片式，其中濾光片式又分為，濾光片輪式、可調諧濾光片式、線性漸變濾光片和楔形濾光片式。

多相機式是由多個相機組成，每個相機前配置不同帶通濾光片，分別獲取對應譜段信息。這種形式的多光譜相機能夠實現圖譜合一，一次曝光就能獲得所需的空間信息和光譜信息，而且可以針對不同的探測要求和目標方便的更換濾光片。但是，不同光軸的相機相互之間具有視角上的偏差，這在后續的數據處理中需要對多路圖像進行視角校正和配準。同時，多個相機的布置，增加了整體系統的體積、質量和造價。

濾光片輪和可調諧濾光片式的特點是共用一個相機系統，前者是在系統前加入一個旋轉的濾光片轉輪，整個系統只有一個相機系統，但是顯然要獲取目標的多光譜信息，需要對同一目標進行多次曝光，且工作時存在運動部件，可靠性降低。后者是在系統中加入可調諧濾光片，包括液晶和聲光可調諧濾光片，通過調諧信號改變通光波長實現不同信號的獲取，也需要對同一目標進行多次曝光來實現數據立方體的獲取，且波段切換速度有限，應用受到限制。

線性漸變濾光片和楔形濾光片這兩種形式都是在靠近探測器靶面處，覆蓋一塊或多塊楔形濾光片或者是鍍有漸變濾光膜的玻璃基底，由于靶面處不同行像元接受透過的不同波長信號，通過飛機平臺推掃就能獲取多個譜段信息和空間信息。顯然這種形式的多光譜相機結構簡單可靠，但是過分依賴于平臺推掃，相對于航空系統而言，要求飛行速度與ccd轉移速度嚴格匹配，姿態穩定性要求過高。

單鏡頭多路分光式是采用單鏡頭加上分光棱鏡分光，將光線分成多路，需要多個探測器分別接受各個譜段信息。一次曝光就能獲取全部空間和光譜信息，圖譜合一。但是當譜段數上升時，分光棱鏡復雜且探測器數量過多，造價昂貴。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種多光譜成像系統，所使用的器件結構極為緊湊，重量輕便，工作可靠，穩定性高，降低了儀器對平臺姿態穩定度的要求，能很好的滿足航空遙感應用需求。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種多光譜成像系統，包括：依次設置的成像物鏡、濾光片陣列以及面陣探測器；其中：

成像物鏡實現目標成像的功能，通過成像物鏡將已劃分的n個條帶目標成像，變換為n個對應的目標像；

濾光片陣列包含n個條帶，用于實現視場分割；每一目標像經過濾光片陣列相應條帶濾光，形成相應的目標條帶像；

面陣探測器通過光電效應獲取和記錄各目標條帶像的信息，最終獲得目標的完整數據。

所述濾光片陣列包括：鍍膜基片與玻璃基底；

膜層鍍制基片上，分別鍍制了n個不同的條帶，形成鍍膜基片；

然后，用光學粘合劑將鍍膜基片與玻璃基底膠合在一起，構成濾光片陣列。

所述每一目標像經過濾光片陣列相應條帶濾光，形成相應的目標條帶像包括：

假設濾光片陣列上n個條帶的光譜透過率函數分別為：t1(λ)、t2(λ)….tn(λ)；目標像為o(x,y,λ)，則第i個條帶對應的目標像為：

上式中，假設飛行方向沿著y軸，yi表示目標像在第i個條帶處的中心位置坐標，a表示第i個條帶的寬度；λ表示波長；

則第i個條帶對應的目標像的目標條帶像為：

ii(x,y,λ)＝ti(λ)×oi(x,y,λ)。

所述最終獲得目標的完整數據的公式為：

濾光片陣列中每一條帶的光譜透過率函數近似為一個高斯函數：

其中，tp是光譜透過率曲線的峰值透過率，λc是透過譜段的中心波長，σ是波形的方差。

由上述本發明提供的技術方案可以看出，基于濾光片陣列的光譜成像原理，在譜段數不多的情況下，這種形式的相機系統相當于在一個照相機后加分光器件，原理簡單，結構緊湊，重量輕便，工作可靠，穩定性高；而且多光譜相機以小畫幅方式工作，極大降低了儀器對飛行器姿態穩定度的要求，較好的保證了光譜數據后處理的精度，適合于機載平臺多光譜成像應用。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發明實施例提供的多光譜成像系統原理圖；

圖2為本發明實施例提供的多光譜成像系統結構示意圖；

圖3為本發明實施例提供的濾光片陣列結構示意圖；

圖4為本發明實施例提供的濾光片陣列上鍍制多個不同譜段的濾光膜的示意圖；

圖5為本發明實施例提供的系統全色光點列圖；

圖6為本發明實施例提供的系統全色mtf曲線圖。

具體實施方式

下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明的保護范圍。

實施例

由于目前多光譜成像技術，要么體積過于龐大復雜，要么包含運動部件，要么姿態穩定性要求過高。因此為了滿足航空遙感的應用需求，本發明實施例提供一種多光譜成像系統，采用了濾光片陣列的多光譜成像技術整個多光譜成像系統結構較為簡單，僅包干依次設置的成像物鏡、濾光片陣列以及面陣探測器。系統原理圖與系統結構示意圖如圖1-圖2所示；圖中，1-成像物鏡，2-濾光片陣列，3-面陣探測器。成像物鏡實現目標成像的功能，通過成像物鏡將已劃分的n個條帶目標成像，變換為n個對應的目標像；濾光片陣列包含n個條帶，用于實現視場分割；每一目標像經過濾光片陣列相應條帶濾光，形成相應的目標條帶像；面陣探測器通過光電效應獲取和記錄各目標條帶像的信息，最終獲得目標的完整數據。該結構極為緊湊，重量輕便，工作可靠，穩定性高，降低了儀器對平臺姿態穩定度的要求，能很好的滿足航空遙感應用需求。

圖1-圖2所示的結構中，可以看作在傳統的相機系統中加入了一個濾光片陣列，放置在面陣探測器靶面前。

濾光片陣列是本發明方案中多光譜相機的關鍵技術部件，其加工水平直接關系到最終獲取圖像的光譜分辨率。如圖3所示，所述濾光片陣列主要包括：鍍膜基片8與玻璃基底7；膜層鍍制基片上，分別鍍制了n個不同的條帶，形成鍍膜基片；然后，用光學粘合劑將鍍膜基片與玻璃基底膠合在一起，構成濾光片陣列。

示例性的，可以在濾光片陣列上沿著垂直于飛行的方向鍍制多個不同譜段的濾光膜，如圖4所示，鍍制了8個不同條帶9-16，圖中9-16可以分別對應藍光波段、兩個綠光波段、兩個紅光波段、以及三個近紅外共8個譜段的濾光片條帶。8個條帶在面陣探測器上的分布分別對應了不同的視場位置，這就代表每個譜段其實并非要求在所有視場范圍都具有良好的成像質量。根據實際成像物鏡各個譜段在各視場的成像質量表現，可以選擇一個較優良的各譜段在基片上的排列情況。

每個條帶濾光膜只能通過相應譜段的圖像，面陣探測器的若干行像元對應一個光譜帶，則整個面陣探測器對應若干光譜帶。顯然，不同視場經過各個條帶濾光膜濾波，在面陣探測器上獲取的是相應視場的不同光譜信息，每次拍照獲得某一區域目標的二維空間信息和不同視場對應不同的光譜信息。通過平臺飛行推掃，邊緣視場移動至面陣探測器的像面中心，再次曝光將獲取該目標的另外一個譜段信息，從而獲得目標的完整數據。

對于濾光片陣列型多光譜成像技術，其光譜分辨率完全取決于各濾光片條帶的光譜透過率曲線，假設濾光片陣列上n個條帶的光譜透過率函數分別為：t1(λ)、t2(λ)….tn(λ)；目標像為o(x,y,λ)，則第i個條帶對應的目標像為：

上式中，假設飛行方向沿著y軸，yi表示目標像在第i個條帶處的中心位置坐標，a表示第i個條帶的寬度；λ表示波長，x,y對應x軸、y軸坐標；

則第i個條帶對應的目標像的目標條帶像為：

ii(x,y,λ)＝ti(λ)×oi(x,y,λ)。

最終獲得目標的完整數據的公式為：

濾光片陣列中每一條帶的透過率曲線，在理想情況下形狀為一個矩形函數。但是實際上在絕大多數情況下，檢測出的光譜透過率函數近似為一個高斯函數：

其中，tp是光譜透過率曲線的峰值透過率，λc是透過譜段的中心波長，σ是波形的方差。

將上述兩個式子相結合，可以得到最終公式為：

另外，基于上述多光譜成像系統的具體工作過程可以簡述如下：

1)將目標區域劃分為與濾光片陣列數一致的n個條帶目標；

2)每一條帶目標經過成像物鏡成像，變換為其對應的目標像；

3)每一目標像再經過濾光片陣列相應條帶濾光，形成最終的目標各條帶像；

4)面陣探測器通過光電效應獲取和記錄各目標條帶像的信息，最終獲得目標的完整數據。

本領域技術人員可以理解，在系統實現時，所涉及的相關算法可以由外置或者內置的處理模塊來完成，因而，系統圖中并未示出相關處理模塊。

示例性的，多光譜成像系統中相關器件的參數可以設置為：成像物鏡視場角21度，相對孔徑1/4，焦距162mm，采用復雜化的雙高斯型物鏡作為本多光譜相機的光學主系統。整個系統光譜范圍為450～1000nm，濾光片陣列6包含8個條帶：藍光、兩個綠光、兩個紅光、以及三個近紅外譜段。面陣探測器像元大小9μm×9μm，奈奎斯特頻率56lp/mm。

圖5為系統全色光點列圖，通過zemax光學設計軟件計算可知，光斑rms(均方根)直徑最大近似為6.2um，遠小于探測器像元尺寸；圖6為系統全色mtf曲線圖，在奈奎斯特頻率(spatialfrequencyincycles)56lp/mm處接近衍射極限，成像質量良好。

本發明上述系統，由于濾光片陣列的光譜成像原理簡單，在譜段數不多的情況下，這種形式的相機系統相當于在一個照相機后加分光器件，原理簡單，結構緊湊，重量輕便，工作可靠，穩定性高。而對于分光器件的鍍膜，國內已有比較成熟的工藝，可以解決。而且多光譜相機以小畫幅方式工作，極大降低了儀器對飛行器姿態穩定度的要求，較好的保證了光譜數據后處理的精度，適合于機載平臺多光譜成像應用。此外，該系統采用了陣列濾光片的方式，簡化了系統的結構。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。