一種小型化凝視型機載光譜成像系統的制作方法

本發明涉及目標遙感偵查探測領域，具體地，涉及一種小型化凝視型機載光譜成像系統。

背景技術：

隨著科學技術的發展，遙感探測在國民經濟和國防建設的各個領域中得到了廣泛的應用。目前大多數星載、機載遙感儀器，無論成像與否，是以獲取來自目標不同波段的輻射強度進而推求目標的表面狀態、溫度、成分及其它物理化學特性為目的。描述目標電磁輻射特性的不僅有幅值還有波長和相位，而這些特性可以從不同角度描述被觀測目標。光譜成像技術可同時獲取目標的空間信息和光譜信息，其最突出的特點是能夠通過光譜分析鑒別材料的組成成分，進一步揭露與背景材料不同的目標及其偽裝。因此，光譜成像技術被廣泛應用于國土資源勘探、生態環境監測、城市遙感、農業普查、林業檢測等領域。

目前機載光譜成像系統大多采用色散型光譜成像方式，該類光譜成像儀主要通過在飛行方向進行一維空間掃描，并通過拼接方式實現目標空間信息的采集。該成像方式對無人機飛行姿態要求較為苛刻，而現有大多數小型無人機由于本身重量、體積、飛行高度等參數限制，在高空中的飛行姿態無法得到精確控制，因此無法滿足色散型光譜成像系統的姿態要求。

綜上所述，本申請發明人在實現本申請發明技術方案的過程中，發現上述技術至少存在如下技術問題：

在現有技術中，現有大多數小型無人機在高空中的飛行姿態無法滿足色散型機載光譜成像系統圖像拼接需求的技術問題。

技術實現要素：

本發明提供了一種小型化凝視型機載光譜成像系統，解決了現有的機載光譜成像系統存在的對無人機飛行姿態要求較為苛刻、無法適應現有大多數小型無人機飛行姿態現狀的技術問題，實現了系統小型化輕量化，可搭載于小型飛行平臺的技術效果。

在成像平臺方面，小型無人機由于使用簡單，生存能力強、機動性好等特點，市場份額將占有絕對統治地位，基于小型無人機平臺的機載光譜成像系統具有廣泛的應用需求。本申請設計了一款小型化、模塊化、通用化、能夠滿足小型無人機平臺要求的機載光譜成像設備，可有效改善機載光譜成像系統的搭載環境適應性要求，與小型無人機配備執行任務，在國土資源勘探、生態環境監測、城市遙感等領域發揮重要作用。

本發明的目的是提供一種能夠滿足小型無人機載荷要求的機載光譜成像系統，該系統可在大多數小型無人機(含多旋翼無人機和固定翼無人機)高空飛行環境下，實現工作波段覆蓋420nm-2500nm(分波段實現)的高質量光譜圖片采集，并可利用圖像分析處理軟件實現地物光譜圖像分析、分類、和數據庫建立等功能。

本發明的機載光譜成像系統由光學成像單元、光譜調制單元、圖像采集單元、機載電控單元、地面控制單元、圖像處理分析單元六部分組成，其技術特點包括以下部分：

光學成像單元包括擺鏡和成像物鏡兩個主要部分，位于整個光學系統的最前端，用于將被測目標的光信號進行收集并成像于圖像傳感器焦平面上。擺鏡位于系統最前端，用于實現大范圍成像區域的掃描；成像物鏡位于擺鏡后面，用于實現采集光束的聚焦和成像。

光譜調制單元，位于光學成像單元的后面，用于實現對入射光進行光譜調制功能。光譜調制單元采用液晶可調濾光器進行光譜調制。

圖像采集單元主要包括圖像探測器和圖像采集存儲模塊，用于對感興趣成像區域進行圖像采集和存儲模塊。圖像采集單元采用的圖像采集存儲模塊不僅能夠實現不低于120mb/s的寫入速度，并能夠實現實時pal制式模擬圖像或實時壓縮數字圖像輸出。

機載電控單元包括機載控制模塊、機載電源模塊和機載配屬設備等，用于實現系統各子單元等的驅動控制和同步協調工作。

地面控制單元包括系統控制軟件、機載無線通信裝備，用于在地面上與設備進行通信和數據傳輸，實時地對設備的工作狀態進行監控和調節。地面控制單元包括系統控制軟件、機載無線通信裝備和視頻模數轉換單元，用于在地面上與設備進行通信和數據傳輸，實時地對設備的工作狀態進行監控和調節。

圖像處理分析單元包括圖像處理軟件和地面工作站，用于對采集到的圖像進行圖像配準、圖像合成、圖像自動分類等功能分析，并通過對采集到的光譜信息與數據庫中的信息進行比對，實現物體的分類識別。

本發明的工作原理為：地面控制單元通過機載飛控鏈路或數控鏈路向設備發送控制指令，機載控制單元根據指令通過輸出一組多通道的低壓交變信號，驅動光譜調制單元、圖像采集和存儲模塊等電子單元模塊協調工作；光譜調制單元在驅動控制器作用下，對來自景物的光信號進行光譜調制；圖像傳感器接受透過光譜調制器的來自景物的光信號對景物成像，圖像采集和存儲模塊將來自圖像傳感器的圖像信號在線存儲，同時輸出一路壓縮后的實時數字或模擬信號給機載數傳或圖傳設備，圖像處理軟件對事后導出的光譜圖像進行圖像配準、圖像合成等功能分析，并通過對采集到的光譜信息與數據庫中的信息進行比對，實現目標的光譜分析。

本發明的機載光譜成像系統利用液晶可調濾光器進行光譜調制，基于機載平臺的圖傳設備或數傳設備進行實時圖像監控和下傳，利用地面工作站對下傳或事后導出的光譜圖像進行圖像處理和光譜分析，進而實現目標的光譜分析和圖像識別功能。

本申請提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優點：

(1)系統采用模塊化簡潔化設計，具有小型化輕量化特色(重量不超過3kg)，可搭載于大多數小型飛行平臺；

(2)采用面陣凝視成像方式，可獲取高質量的光譜圖像，對搭載設備的飛行姿態要求低；

(3)電控時域光譜調制方式，用戶可根據應用場景在設備允許的譜段內靈活編排工作光譜序列；

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發明實施例的進一步理解，構成本申請的一部分，并不構成對本發明實施例的限定；

圖1為本發明的系統總體結構框圖；

圖2是本發明的液晶光譜調制器結構示意圖；

圖3為系統工作流程圖。

具體實施方式

本發明提供了一種小型化凝視型機載光譜成像系統，解決了現有的機載光譜成像系統存在的對無人機飛行姿態要求較為苛刻、無法適應現有大多數小型無人機飛行姿態現狀的技術問題，實現了系統小型化輕量化，可搭載于小型飛行平臺的技術效果。

為了能夠更清楚地理解本發明的上述目的、特征和優點，下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行進一步的詳細描述。需要說明的是，在相互不沖突的情況下，本申請的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發明，但是，本發明還可以采用其他不同于在此描述范圍內的其他方式來實施，因此，本發明的保護范圍并不受下面公開的具體實施例的限制。

圖1是本發明的小型機載光譜成像系統結構示意圖，整機分成機上部分和地面控制部分，機上部分包括光學成像單元、光譜調制單元、圖像采集單元和機載電控單元，地面控制部分包括地面控制單元和圖像處理分析單元組成。其中，光學成像單元處于最前端，光譜調制單元與光學成像單元相連接，圖像采集單元位于光譜調制單元后面。機載電控單元分別與光學成像單元、光譜調制單元、圖像采集單元兩連接，地面控制單元和圖像處理分析單元安裝在地面工作站，通過機載飛控設備和數傳圖傳設備與機上設備相連接。

光學系統包括擺鏡(選配件)和成像物鏡。擺鏡用于實現大范圍成像區域的掃描。成像物鏡和調焦組件用于對入射光進行采集并匯聚到探測器靶面上。光學系統要求成像畸變小、一致性好、光能量耦合效率高。

光譜調制系統為本機載光譜成像系統的核心器件，用于實現入射光的光譜調制。由于本機載光譜成像系統要求適用于大多數小型無人機較差的飛行姿態，以及快速的光譜圖像下傳和處理，考慮到現有機載平臺的傳輸帶寬，本系統所用的光譜調制系統為液晶電控濾光器(lctf)，在本實施方案中，選用覆蓋420nm-2500nm(分波段實現)的lctf為光譜調制器件。lctf光譜調制系統包括lctf分光模塊和溫控模塊。其中，lctf分光模塊只允許窄帶光譜依時間順序依次通過光學系統成像。而溫控分系統用于對lctf分光模塊進行精確溫控，將lctf分光器件的溫度控制在一定范圍內，使其能夠正常工作。

圖像采集系統主要包括圖像探測器和圖像采集存儲模塊。根據本系統的技術要求，圖像探測器要求為高靈敏的面陣探測器，成像最大幀頻不低于30fps，曝光時間可在0.1ms-1s之間可調，并且具備全局曝光模式。系統所用圖像采集存儲模塊的圖像寫入速度不低于120mb/s，并具備pal制式或hdmi制式視頻信號輸出。在本實施方案中，所用圖像采集存儲模塊為定制產品，頭部探測器數據經數據線接口至機載電控單元內的圖像采集及存儲模塊的圖像接口板，經圖像還原至圖像數據存儲板。提供圖像數據usb接口，便于事后數據導出；同時便于地面調試，設置標清pal模擬圖像輸出，并與穩定與補償控制的其他監控信號一并引至機載電控單元的機箱壁。

機載電控系統主要功能為實現各單元的電控協調工作，并且相關之間不能存在電磁干擾。機載電控系統包括機載控制單位、機載電源模塊和機載配屬設備等。機載控制單元用于對lctf分光模塊和圖像傳感器的精確控制和時序精確匹配，從而實現在規定的時間內，在lctf工作在某一特定波長下進行圖像的及時采集。機載電源模塊和機載配屬設備用于為設備的正常工作、系統無線控制等提供保障。

地面控制單元包括系統控制軟件和機載無線通信裝備，用于在地面上與設備進行通信和數據傳輸，實時地對設備的工作狀態進行監控和調節。系統控制軟件基于地面任務控制計算機的地面控制軟件，通過無人機數據鏈路完成指令和數據的上傳和下達，主要實現設備與機載成像控制器的通信、光譜調制模塊參數設置和讀取、相機工作狀態和參數設置、圖像數據的轉存、成像過程控制等功能。視頻模數轉換單元將pal或hdmi視頻轉換成序列數字圖像，并按照指定的命名方式進行存儲。視頻模數轉換單元可將下傳的pal制式或hdmi制式視頻信號轉換成序列數字bmp圖像，并保存在在指定文件夾中。

圖像處理分析系統主要包括光譜圖像處理軟件，實現對采集到的圖像進行圖像配準、圖像合成、圖像自動分類等功能。光譜圖像處理分析軟件可根據載荷所采集的影像數據尤其是每個像點的光譜曲線數據，來區分不同種物質或將同種物質歸為一類。該軟件系統分析、處理光譜曲線數據的能力將直接影響載荷所采集數據的利用程度和后期檢驗結果的質量。本實施方案中原始圖像分析處理軟件基于商用envi光譜圖像處理軟件進行二次開發。

本發明的機載光譜成像系統特點在于基于液晶可調濾光器實現入射光的光譜電控時域調制。圖2是本發明的液晶光譜調制器結構示意圖，液晶光譜控制器包括8片液晶波片(lc1、lc2、lc3、lc4、lc5、lc6、lc7、lc8)、8片偏振片(p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7、p8)和5片固定相位延遲片(r1、r2、r3、r4、r5)。其中lc1～lc8快軸方向與參考水平方向夾角θ為45°；8片偏振片相互平行排列，透射方向與參考水平方向夾角為90°；5片固定相位延遲片的快軸方向與參考水平方向夾角為45°，5片固定相位延遲片的相位延遲量根據液晶波片的雙折射率差δn和級聯級數進行確定。

液晶光譜調制器的光譜分光工作原理：主要為液晶利奧構型，由平行排列的許多級級聯而成，每一級包含兩個相互平行的偏振片，中間夾著由液晶波片和固定相位延遲片組成的光學雙折射率單元。入射光進入第一級偏振片時，入射光分解為沿光學雙折射率單元兩個晶軸相同的分量，通過改變施加在光學雙折射率單元上的電壓可以引起其中一個晶軸上的折射率的變化，兩分量間的相位延遲量產生相位差，在出射偏振片上，兩分量重新組合為一個偏振態。兩分量間的相對延遲與波長有關，因此利奧構型單元可以選擇透過的波長。通過將多級利奧構型單元進行級聯，并按照規律改變每一級的加載電壓，從而實現光譜分光功能。

圖3是本發明的機載光譜成像系統圖像處理分析單元中的地面控制單元光譜圖像處理軟件檢測流程圖。首先建立或載入目標特征數據庫，為目標識別建立對比標準；然后載入下傳或事后導出并保存有光譜圖像的文件夾；將載入的系列光譜圖進行配準，識別測試數據，并與事先載入的特征數據庫進行對比，實現光譜圖像的分類和判讀，并最終將結果顯示出來。本圖像處理軟件檢測流程為循環處理流程，只有當接收到結束命令后，檢測流程才會跳出。

盡管已描述了本發明的優選實施例，但本領域內的技術人員一旦得知了基本創造性概念，則可對這些實施例作出另外的變更和修改。所以，所附權利要求意欲解釋為包括優選實施例以及落入本發明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。