专利名称：一种植被多/高光谱成像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种成像装置，特别是关于一种植被多/高光谱成像装置。
背景技术：
植被是陆地生态系统的基本组成成分，其生化组分含量与陆地生态系统的蒸发、 蒸腾、初级生产和废物分解等过程密切相关。植被光谱能够反映植被的组织结构、生物化学成分和形态学特征，比如可见光波段的“蓝边”(蓝过渡到绿)、绿峰和“红边”(红光过渡到近红外)均是描述植物色素状态和健康状况的重要指示波段。多光谱遥感通过采集植被光谱，能够对植被变化实现快速和大范围的监测。但是，传统的多光谱遥感系统只能记录10 个左右的光谱波段，光谱分辨率在可见光-近红外通道时为IOOnm量级，对于植被的研究仅限于一般性的红光吸收特征、近红外的反射特征和中红外的水吸收特征波段。而且，传统的多光谱遥感系统还受到了光谱分辨率、波段数量和波段位置等因素的限制，对植被类型不敏感，对植被的长势反映不理想，因此无法探测到植被生化组分的精细光谱特征，很难定量提取其生化组分含量。目前，高光谱遥感系统在获取目标空间特征的同时，可以对每个像元在更宽波长范围上形成几十个乃至几百个窄波段连续的光谱覆盖，从而可以更深入地考察植被光谱的响应机制。高光谱遥感数据主要利用色散成像光谱仪和干涉成像光谱仪获取。色散成像光谱仪技术比较成熟，被广泛应用于航空、航天领域，但仪器所能够探测的能量低，分辨率和信噪比都难以进一步提高。干涉成像光谱仪虽具有高光谱分辨率和高能量通过率的优势， 且光谱分辨率不受探测器面阵大小的限制，但光路结构复杂，数据量成几何倍数增加，仪器对飞行平台的稳定性以及对后续数据处理的硬件系统要求较高。而且，相对于多光谱遥感数据而言，获取高光谱遥感数据的成像光谱仪适合小面积详细信息的提取，而其成本较高是难以广泛应用的瓶颈。

发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种成本较低，而且能够同时获取植被的多/ 高光谱成像数据的植被多/高光谱成像测量装置。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种植被多/高光谱成像装置，其特征在于它包括一滤色片壳体、一光学镜头、一成像单元、放置在所述滤色片壳体中的滤色片、一滤色片更换装置、一计算机和一电源；其中，所述滤色片壳体、光学镜头和成像单元顺序排列，且各中心同轴；所述光学镜头与成像单元固连，且所述成像单元位于所述光学镜头的成像面上；所述滤色片更换装置的控制端电连接所述计算机，所述成像单元与计算机进行数据及控制信号通信；所述电源为各用电设备供电。所述成像单元包括一成像传感器，位于所述光学镜头的成像面上，对接收到的光谱图像进行光电转换；一信号获取与处理电路，用于接收所述成像传感器光电转换后的图像，并对该图像进行模数转换后，输入所述计算机；同时，用于接收设置好的图像参数；一相机快门控制电路，其通过一异步串行通信接口电连接所述计算机，用于接收积分时间。所述滤色片更换装置包括一滤色片盛放装置为一长方形的箱体，所述箱体中沿其长度方向间隔均勻地设置有若干放置所述滤色片的形方槽；一承载传动机构和一切换传动机构分别包括一电机，所述电机的输出轴连接有一穿设有两轴承的丝杠，每一所述轴承分别固定在一轴承座上，所述两轴承座之间固定连接有一导轨，所述两轴承之间的所述丝杠和导向杆上穿设有一滑块；所述承载传动机构的滑块固定连接在所述箱体上，所述切换传动机构的滑块底部固定连接有一推块；所述两电机均电连接所述计算机。所述滤色片更换装置包括一滤色片盛放装置为一长方形的箱体，所述箱体中沿其长度方向间隔均勻地设置有若干放置所述滤色片的方槽；一承载传动机构和一切换传动机构分别包括一电机，所述电机的输出轴连接有一穿设有两轴承的丝杠，每一所述轴承分别固定在一轴承座上，所述两轴承座之间固定连接有一导轨，所述两轴承之间的所述丝杠和导向杆上穿设有一滑块；所述承载传动机构的滑块固定连接在所述箱体上，所述切换传动机构的滑块底部固定连接有一推块；所述两电机均电连接所述计算机。所述计算机中预先设置有一参数格式设置模块，用于设置所述成像单元的图像参数，输入所述成像单元的信号获取与处理电路中；一积分时间设置模块，用于根据观测条件设置积分时间和曝光频率，输入所述成像单元的相机快门控制电路中；一参考板图像获取模块，用于获取100%反射率的参考板的图像；一图像饱和判断模块，用于接收所述参数格式设置模块设置好的图像参数，和所述参考板图像获取模块所获取的100%反射率的参考板的图像，判断所述参考板光谱图像的最大亮度是否达到所述图像参数中数据位深的 90% 95%，如果是，则所述积分时间设置模块重新设置所述相机快门控制电路的积分时间；一单波段图像获取模块，用于获取观测植被的某一波段光谱图像获取观测植被的某波段光谱图像；一全部波段图像判断模块，用于接收所述单波段图像获取模块输入的观测植被的某波段光谱图像，并判断所获取的光谱图像是否为全部波段的光谱图像；一触发滤色片更换模块，其中预设置有所述滤色片更换装置中两电机的工作时间，用于在所述全部波段图像判断模块判断出所获取的光谱图像不为全部波段的光谱图像时，控制所述两个电机的工作时间；一反射率图像建立模块，用于接收所述全部波段图像判断模块输入的全部波段观测植被光谱图像，并结合参考板图像及辐射定标参数，建立多/高光谱反射率图像；一配准输出模块，用于接收所述反射率图像建立模块输入的多/高光谱反射率图像，并应用特征点自动提取程序SURF对所述多/高光谱反射率图像进行自动配准，然后采用光谱重构方法并行提取4 10个植被多/高光谱图像的光谱特征，结合高光谱波段参数，建立出观测植被的高光谱反射率图像。所述图像参数包括图像的数据位深、图像存储格式、图像的像素数、色彩的亮度、 饱和度和环境参数。还包括一支撑所述光学镜头用的支撑框架。所述支撑架包括通过四根支撑柱固定的上、下两块支撑板，每一块所述支撑板的两侧沿长度方向分别开设有一滑槽，两块所述支撑板之间设置有一距离调整模块和一镜头支撑框架，且所述距离调整模块设置在所述滑槽中，所述距离调整模块、镜头支撑框架之间还设置有两个刹车装置，所述距离调整模块、镜头支撑框架和刹车装置均具有中心通孔。所述镜头支撑框架的中心通孔呈方形，所述距离调整模块和刹车装置的中心通孔均呈圆形。所述刹车装置的中心通孔的内壁上设置有凸楞。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点(1)本发明装置无庞大的色散器件，光通量大，光路结构简单，能够同时获取同一目标的全视场光谱信息，图像几何畸变小。(2)滤色片自动控制装置的机械结构简单，体积小，在波段变换时能够保证光路的稳定性，有助于获取高精度几何配准的多波段图像。(3)传感器参数设置、目标图像获取、滤色片更换、图像配准过程通过计算机终端实现一体化自动控制，减少人工干预。(4)本发明可获取高信噪比多/高光谱辐射数据以及高光谱反射率图像，减少了图像噪声分离等预处理工作。综上所述，本发明提供了一种宽窄带通道结合的多/高光谱成像测量装置，能同时获取植被多/高光谱图像，增加目标的解析率，并利用已有的光谱重构方法，构建目标连续光谱，为目标的结构光谱分析和混合光谱分解提供了更有利的信息数据。本发明是地面遥感观测装置，可同时借助图像辐射强度和光谱特征监测地表植被变化、生物组分和生化组分估算。


图1是本发明的结构示意2是本发明成像单元的方框3是本发明所使用滤色片的光谱响应示意4是本发明中滤色片更换装置的结构示意5是本发明中推块的结构示意6是本发明中计算机的光谱图像处理流程示意7是本发明中支撑框架的结构示意图
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1所示，本发明包括一滤色片壳体1、一光学镜头2、一成像单元3、多种波段的滤色片4、一滤色片更换装置5、一计算机6和一电源7。其中，滤色片壳体1、光学镜头2和成像单元3顺序排列，且各中心同轴。光学镜头2通过一接口 8与成像单元3固连，接口 8 可以采用现有设备F 口，成像单元3位于光学镜头2的成像面上。所需波段的滤色片4通过滤色片更换装置5放入滤色片壳体1中，从而所需波段的滤色片4、光学镜头2和成像单元3的中心同轴。滤色片更换装置5的控制端电连接计算机6，成像单元3与计算机6进行数据及控制信号通信。电源7为各用电设备供电，电源7可以采用蓄电池或交流电源。如图2所示，本发明的成像单元3包括一成像传感器31、一信号获取与处理电路 32和一相机快门控制电路33。其中，成像传感器31位于光学镜头2的成像面上，对接收到的光谱图像进行光电转换，输入信号获取与处理电路32中。信号获取与处理电路32的作用具体为一、用于对输入的信号进行模数转换，并将转换后的数字信号输入计算机6 ；二、用于接收图像参数，该参数包括图像的数据位深、图像存储格式、图像的像素数、色彩的亮度、饱和度和环境参数等，其中的图像数据位深包括8位、10位和12位等三种位深，图像存储格式包括BMP、TIFF和RAW等三种图像存储格式。上述各种参数可以通过计算机异步串行通信输入，也可以由人为直接在成像单元3上设置。相机快门控制电路33通过一异步串行通信接口电连接计算机6，用于接收相机快门控制电路33的积分时间与曝光频率。本实施例中，信号获取与处理电路32与相机快门控制电路33可以采用基于FPGA和32位RISC 处理器。如图3所示，本发明的多种波段的滤色片4包括4 10种波长范围不同的窄带干涉滤光片，选取的滤色片4的波长范围、峰值透过率、截止深度等指标与植被的光谱特征有关。本实施例中，滤色片4采用的是薄膜干涉滤色片，滤色片表面采用减反射膜处理，表面反射率R < 1 %，截止范围为340 llOOnm，波长截止深度T1 < 0. 1 %，峰值透过率T2 > 70%，直径为77mm，中心波长误差范围(-3nm，+3歷)，带宽误差范围(-5nm，+5歷)，各波段的波长范围如表1所示，各波段滤色片4的光谱响应函数，即滤色片的透过率与波长的函数如图2所示。表 权利要求
1.一种植被多/高光谱成像装置，其特征在于它包括一滤色片壳体、一光学镜头、一成像单元、放置在所述滤色片壳体中的滤色片、一滤色片更换装置、一计算机和一电源；其中，所述滤色片壳体、光学镜头和成像单元顺序排列，且各中心同轴；所述光学镜头与成像单元固连，且所述成像单元位于所述光学镜头的成像面上；所述滤色片更换装置的控制端电连接所述计算机，所述成像单元与计算机进行数据及控制信号通信；所述电源为各用电设备供电。
2.如权利要求1所述的一种植被多/高光谱成像装置，其特征在于，所述成像单元包括一成像传感器，位于所述光学镜头的成像面上，对接收到的光谱图像进行光电转换；一信号获取与处理电路，用于接收所述成像传感器光电转换后的图像，并对该图像进行模数转换后，输入所述计算机；同时，用于接收设置好的图像参数；一相机快门控制电路，其通过一异步串行通信接口电连接所述计算机，用于接收积分时间。
3.如权利要求1所述的一种植被多/高光谱成像装置，其特征在于，所述滤色片更换装置包括一滤色片盛放装置为一长方形的箱体，所述箱体中沿其长度方向间隔均勻地设置有若干放置所述滤色片的形方槽；一承载传动机构和一切换传动机构分别包括一电机，所述电机的输出轴连接有一穿设有两轴承的丝杠，每一所述轴承分别固定在一轴承座上，所述两轴承座之间固定连接有一导轨，所述两轴承之间的所述丝杠和导向杆上穿设有一滑块；所述承载传动机构的滑块固定连接在所述箱体上，所述切换传动机构的滑块底部固定连接有一推块；所述两电机均电连接所述计算机。
4.如权利要求2所述的一种植被多/高光谱成像装置，其特征在于，所述滤色片更换装置包括一滤色片盛放装置为一长方形的箱体，所述箱体中沿其长度方向间隔均勻地设置有若干放置所述滤色片的方槽；一承载传动机构和一切换传动机构分别包括一电机，所述电机的输出轴连接有一穿设有两轴承的丝杠，每一所述轴承分别固定在一轴承座上，所述两轴承座之间固定连接有一导轨，所述两轴承之间的所述丝杠和导向杆上穿设有一滑块；所述承载传动机构的滑块固定连接在所述箱体上，所述切换传动机构的滑块底部固定连接有一推块；所述两电机均电连接所述计算机。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种植被多/高光谱成像装置，其特征在于，所述计算机中预先设置有一参数格式设置模块，用于设置所述成像单元的图像参数，输入所述成像单元的信号获取与处理电路中；一积分时间设置模块，用于根据观测条件设置积分时间和曝光频率，输入所述成像单元的相机快门控制电路中；一参考板图像获取模块，用于获取100%反射率的参考板的图像；一图像饱和判断模块，用于接收所述参数格式设置模块设置好的图像参数，和所述参考板图像获取模块所获取的100%反射率的参考板的图像，判断所述参考板光谱图像的最大亮度是否达到所述图像参数中数据位深的90% 95%，如果是，则所述积分时间设置模块重新设置所述相机快门控制电路的积分时间；一单波段图像获取模块，用于获取观测植被的某一波段光谱图像获取观测植被的某波段光谱图像；一全部波段图像判断模块，用于接收所述单波段图像获取模块输入的观测植被的某波段光谱图像，并判断所获取的光谱图像是否为全部波段的光谱图像；一触发滤色片更换模块，其中预设置有所述滤色片更换装置中两电机的工作时间，用于在所述全部波段图像判断模块判断出所获取的光谱图像不为全部波段的光谱图像时，控制所述两个电机的工作时间；一反射率图像建立模块，用于接收所述全部波段图像判断模块输入的全部波段观测植被光谱图像，并结合参考板图像及辐射定标参数，建立多/高光谱反射率图像；一配准输出模块，用于接收所述反射率图像建立模块输入的多/高光谱反射率图像， 并应用特征点自动提取程序SURF对所述多/高光谱反射率图像进行自动配准，然后采用光谱重构方法并行提取4 10个植被多/高光谱图像的光谱特征，结合高光谱波段参数，建立出观测植被的高光谱反射率图像。
6.如权利要求5所述的一种植被多/高光谱成像装置，其特征在于所述图像参数包括图像的数据位深、图像存储格式、图像的像素数、色彩的亮度、饱和度和环境参数。
7.如权利要求1或2或3或4或6所述的一种植被多/高光谱成像装置，其特征在于 还包括一支撑所述光学镜头用的支撑框架。
8.如权利要求5所述的一种植被多/高光谱成像装置，其特征在于还包括一支撑所述光学镜头用的支撑框架。
9.如权利要求7或8所述的一种植被多/高光谱成像装置，其特征在于所述支撑架包括通过四根支撑柱固定的上、下两块支撑板，每一块所述支撑板的两侧沿长度方向分别开设有一滑槽，两块所述支撑板之间设置有一距离调整模块和一镜头支撑框架，且所述距离调整模块设置在所述滑槽中，所述距离调整模块、镜头支撑框架之间还设置有两个刹车装置，所述距离调整模块、镜头支撑框架和刹车装置均具有中心通孔。
10.如权利要求9所述的一种植被多/高光谱成像装置，其特征在于所述镜头支撑框架的中心通孔呈方形，所述距离调整模块和刹车装置的中心通孔均呈圆形。
11.如权利要求9所述的一种植被多/高光谱成像装置，其特征在于所述刹车装置的中心通孔的内壁上设置有凸楞。
全文摘要
一种植被多/高光谱成像装置，其特征在于它包括一滤色片壳体、一光学镜头、一成像单元、放置在所述滤色片壳体中的滤色片、一滤色片更换装置、一计算机和一电源；其中，所述滤色片壳体、光学镜头和成像单元顺序排列，且各中心同轴；所述光学镜头与成像单元固连，且所述成像单元位于所述光学镜头的成像面上；所述滤色片更换装置的控制端电连接所述计算机，所述成像单元与计算机进行数据及控制信号通信；所述电源为各用电设备供电。
文档编号G01S7/481GK102162851SQ20101061202
公开日2011年8月24日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者刘绥华, 晏磊, 李博, 耿雅雷, 赵海盟 申请人:北京大学