CN107084788A - 一种多光谱成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多光谱成像系统，包括：依次设置的成像物镜、滤光片阵列以及面阵探测器；其中：成像物镜实现目标成像的功能，通过成像物镜将已划分的n个条带目标成像，变换为n个对应的目标像；滤光片阵列包含n个条带，用于实现视场分割；每一目标像经过滤光片阵列相应条带滤光，形成相应的目标条带像；面阵探测器通过光电效应获取和记录各目标条带像的信息，最终获得目标的完整数据。
Description
技术领域
本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种多光谱成像系统。
背景技术
随着科学技术的不断发展，航空遥感技术已经被广泛应用于农业、测绘、海洋探测和军事侦察等诸多领域，它正逐渐成为人们获取各种空间信息、发现和识别目标最重要手段之一。利用搭载在飞机上的遥感仪器进行对地观测，具有快速、灵活、机动性高的优点。对于遥感对地观测来说，提高对目标的探测能力不仅仅依赖空间分辨率的提高，还依赖相机覆盖的波段范围及波段数。显然这就涉及到光谱成像技术，通过获得地物几个或更多波段的光谱信息，实现目标空间信息、辐射信息、光谱信息的同步获取，能够提高对目标特性的综合探测感知与识别，极大地扩展了遥感探测技术的目标分辨、监测能力。
多光谱成像技术是上世纪60年代初期出现的一种遥感技术，其波段范围及波段数的选择与应用目标直接相关，通过对特定谱段信息和全色信息的获取，对揭示目标的各种物化性质、提高目标识别能力具有重要意义。按照它光谱获取方式的不同，大致可分为多相机式、单镜头多路分光式、以及滤光片式，其中滤光片式又分为，滤光片轮式、可调谐滤光片式、线性渐变滤光片和楔形滤光片式。
多相机式是由多个相机组成，每个相机前配置不同带通滤光片，分别获取对应谱段信息。这种形式的多光谱相机能够实现图谱合一，一次曝光就能获得所需的空间信息和光谱信息，而且可以针对不同的探测要求和目标方便的更换滤光片。但是，不同光轴的相机相互之间具有视角上的偏差，这在后续的数据处理中需要对多路图像进行视角校正和配准。同时，多个相机的布置，增加了整体系统的体积、质量和造价。
滤光片轮和可调谐滤光片式的特点是共用一个相机系统，前者是在系统前加入一个旋转的滤光片转轮，整个系统只有一个相机系统，但是显然要获取目标的多光谱信息，需要对同一目标进行多次曝光，且工作时存在运动部件，可靠性降低。后者是在系统中加入可调谐滤光片，包括液晶和声光可调谐滤光片，通过调谐信号改变通光波长实现不同信号的获取，也需要对同一目标进行多次曝光来实现数据立方体的获取，且波段切换速度有限，应用受到限制。
线性渐变滤光片和楔形滤光片这两种形式都是在靠近探测器靶面处，覆盖一块或多块楔形滤光片或者是镀有渐变滤光膜的玻璃基底，由于靶面处不同行像元接受透过的不同波长信号，通过飞机平台推扫就能获取多个谱段信息和空间信息。显然这种形式的多光谱相机结构简单可靠，但是过分依赖于平台推扫，相对于航空系统而言，要求飞行速度与CCD转移速度严格匹配，姿态稳定性要求过高。
单镜头多路分光式是采用单镜头加上分光棱镜分光，将光线分成多路，需要多个探测器分别接受各个谱段信息。一次曝光就能获取全部空间和光谱信息，图谱合一。但是当谱段数上升时，分光棱镜复杂且探测器数量过多，造价昂贵。
发明内容
本发明的目的是提供一种多光谱成像系统，所使用的器件结构极为紧凑，重量轻便，工作可靠，稳定性高，降低了仪器对平台姿态稳定度的要求，能很好的满足航空遥感应用需求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种多光谱成像系统，包括：依次设置的成像物镜、滤光片阵列以及面阵探测器；其中：
成像物镜实现目标成像的功能，通过成像物镜将已划分的n个条带目标成像，变换为n个对应的目标像；
滤光片阵列包含n个条带，用于实现视场分割；每一目标像经过滤光片阵列相应条带滤光，形成相应的目标条带像；
面阵探测器通过光电效应获取和记录各目标条带像的信息，最终获得目标的完整数据。
所述滤光片阵列包括：镀膜基片与玻璃基底；
膜层镀制基片上，分别镀制了n个不同的条带，形成镀膜基片；
然后，用光学粘合剂将镀膜基片与玻璃基底胶合在一起，构成滤光片阵列。
所述每一目标像经过滤光片阵列相应条带滤光，形成相应的目标条带像包括：
假设滤光片阵列上n个条带的光谱透过率函数分别为：T1(λ)、T2(λ)….Tn(λ)；目标像为O(x,y,λ)，则第i个条带对应的目标像为：
上式中，假设飞行方向沿着Y轴，yi表示目标像在第i个条带处的中心位置坐标，a表示第i个条带的宽度；λ表示波长；
则第i个条带对应的目标像的目标条带像为：
Ii(x,y,λ)＝Ti(λ)×Oi(x,y,λ)。
所述最终获得目标的完整数据的公式为：
滤光片阵列中每一条带的光谱透过率函数近似为一个高斯函数：
其中，Tp是光谱透过率曲线的峰值透过率，λc是透过谱段的中心波长，σ是波形的方差。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，基于滤光片阵列的光谱成像原理，在谱段数不多的情况下，这种形式的相机系统相当于在一个照相机后加分光器件，原理简单，结构紧凑，重量轻便，工作可靠，稳定性高；而且多光谱相机以小画幅方式工作，极大降低了仪器对飞行器姿态稳定度的要求，较好的保证了光谱数据后处理的精度，适合于机载平台多光谱成像应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的多光谱成像系统原理图；
图2为本发明实施例提供的多光谱成像系统结构示意图；
图3为本发明实施例提供的滤光片阵列结构示意图；
图4为本发明实施例提供的滤光片阵列上镀制多个不同谱段的滤光膜的示意图；
图5为本发明实施例提供的系统全色光点列图；
图6为本发明实施例提供的系统全色MTF曲线图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例
由于目前多光谱成像技术，要么体积过于庞大复杂，要么包含运动部件，要么姿态稳定性要求过高。因此为了满足航空遥感的应用需求，本发明实施例提供一种多光谱成像系统，采用了滤光片阵列的多光谱成像技术整个多光谱成像系统结构较为简单，仅包干依次设置的成像物镜、滤光片阵列以及面阵探测器。系统原理图与系统结构示意图如图1-图2所示；图中，1-成像物镜，2-滤光片阵列，3-面阵探测器。成像物镜实现目标成像的功能，通过成像物镜将已划分的n个条带目标成像，变换为n个对应的目标像；滤光片阵列包含n个条带，用于实现视场分割；每一目标像经过滤光片阵列相应条带滤光，形成相应的目标条带像；面阵探测器通过光电效应获取和记录各目标条带像的信息，最终获得目标的完整数据。该结构极为紧凑，重量轻便，工作可靠，稳定性高，降低了仪器对平台姿态稳定度的要求，能很好的满足航空遥感应用需求。
图1-图2所示的结构中，可以看作在传统的相机系统中加入了一个滤光片阵列，放置在面阵探测器靶面前。
滤光片阵列是本发明方案中多光谱相机的关键技术部件，其加工水平直接关系到最终获取图像的光谱分辨率。如图3所示，所述滤光片阵列主要包括：镀膜基片8与玻璃基底7；膜层镀制基片上，分别镀制了n个不同的条带，形成镀膜基片；然后，用光学粘合剂将镀膜基片与玻璃基底胶合在一起，构成滤光片阵列。
示例性的，可以在滤光片阵列上沿着垂直于飞行的方向镀制多个不同谱段的滤光膜，如图4所示，镀制了8个不同条带9-16，图中9-16可以分别对应蓝光波段、两个绿光波段、两个红光波段、以及三个近红外共8个谱段的滤光片条带。8个条带在面阵探测器上的分布分别对应了不同的视场位置，这就代表每个谱段其实并非要求在所有视场范围都具有良好的成像质量。根据实际成像物镜各个谱段在各视场的成像质量表现，可以选择一个较优良的各谱段在基片上的排列情况。
每个条带滤光膜只能通过相应谱段的图像，面阵探测器的若干行像元对应一个光谱带，则整个面阵探测器对应若干光谱带。显然，不同视场经过各个条带滤光膜滤波，在面阵探测器上获取的是相应视场的不同光谱信息，每次拍照获得某一区域目标的二维空间信息和不同视场对应不同的光谱信息。通过平台飞行推扫，边缘视场移动至面阵探测器的像面中心，再次曝光将获取该目标的另外一个谱段信息，从而获得目标的完整数据。
对于滤光片阵列型多光谱成像技术，其光谱分辨率完全取决于各滤光片条带的光谱透过率曲线，假设滤光片阵列上n个条带的光谱透过率函数分别为：T1(λ)、T2(λ)….Tn(λ)；目标像为O(x,y,λ)，则第i个条带对应的目标像为：
上式中，假设飞行方向沿着Y轴，yi表示目标像在第i个条带处的中心位置坐标，a表示第i个条带的宽度；λ表示波长，x,y对应X轴、Y轴坐标；
则第i个条带对应的目标像的目标条带像为：
Ii(x,y,λ)＝Ti(λ)×Oi(x,y,λ)。
最终获得目标的完整数据的公式为：
滤光片阵列中每一条带的透过率曲线，在理想情况下形状为一个矩形函数。但是实际上在绝大多数情况下，检测出的光谱透过率函数近似为一个高斯函数：
其中，Tp是光谱透过率曲线的峰值透过率，λc是透过谱段的中心波长，σ是波形的方差。
将上述两个式子相结合，可以得到最终公式为：
另外，基于上述多光谱成像系统的具体工作过程可以简述如下：
1)将目标区域划分为与滤光片阵列数一致的n个条带目标；
2)每一条带目标经过成像物镜成像，变换为其对应的目标像；
3)每一目标像再经过滤光片阵列相应条带滤光，形成最终的目标各条带像；
4)面阵探测器通过光电效应获取和记录各目标条带像的信息，最终获得目标的完整数据。
本领域技术人员可以理解，在系统实现时，所涉及的相关算法可以由外置或者内置的处理模块来完成，因而，系统图中并未示出相关处理模块。
示例性的，多光谱成像系统中相关器件的参数可以设置为：成像物镜视场角21度，相对孔径1/4，焦距162mm，采用复杂化的双高斯型物镜作为本多光谱相机的光学主系统。整个系统光谱范围为450～1000nm，滤光片阵列6包含8个条带：蓝光、两个绿光、两个红光、以及三个近红外谱段。面阵探测器像元大小9μm×9μm，奈奎斯特频率56lp/mm。
图5为系统全色光点列图，通过ZEMAX光学设计软件计算可知，光斑RMS(均方根)直径最大近似为6.2um，远小于探测器像元尺寸；图6为系统全色MTF曲线图，在奈奎斯特频率(spatial frequency in cycles)56lp/mm处接近衍射极限，成像质量良好。
本发明上述系统，由于滤光片阵列的光谱成像原理简单，在谱段数不多的情况下，这种形式的相机系统相当于在一个照相机后加分光器件，原理简单，结构紧凑，重量轻便，工作可靠，稳定性高。而对于分光器件的镀膜，国内已有比较成熟的工艺，可以解决。而且多光谱相机以小画幅方式工作，极大降低了仪器对飞行器姿态稳定度的要求，较好的保证了光谱数据后处理的精度，适合于机载平台多光谱成像应用。此外，该系统采用了阵列滤光片的方式，简化了系统的结构。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种多光谱成像系统，其特征在于，包括：依次设置的成像物镜、滤光片阵列以及面阵探测器；其中：
成像物镜实现目标成像的功能，通过成像物镜将已划分的n个条带目标成像，变换为n个对应的目标像；
滤光片阵列包含n个条带，用于实现视场分割；每一目标像经过滤光片阵列相应条带滤光，形成相应的目标条带像；
面阵探测器通过光电效应获取和记录各目标条带像的信息，最终获得目标的完整数据。
2.根据权利要求1所述的多光谱成像系统，其特征在于，所述滤光片阵列包括：镀膜基片与玻璃基底；
膜层镀制基片上，分别镀制了n个不同的条带，形成镀膜基片；
然后，用光学粘合剂将镀膜基片与玻璃基底胶合在一起，构成滤光片阵列。
3.根据权利要求1所述的多光谱成像系统，其特征在于，所述每一目标像经过滤光片阵列相应条带滤光，形成相应的目标条带像包括：
假设滤光片阵列上n个条带的光谱透过率函数分别为：T1(λ)、T2(λ)….Tn(λ)；目标像为O(x,y,λ)，则第i个条带对应的目标像为：
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上式中，假设飞行方向沿着Y轴，yi表示目标像在第i个条带处的中心位置坐标，a表示第i个条带的宽度；λ表示波长；
则第i个条带对应的目标像的目标条带像为：
Ii(x,y,λ)＝Ti(λ)×Oi(x,y,λ)。
4.根据权利要求1所述的多光谱成像系统，其特征在于，所述最终获得目标的完整数据的公式为：
<mrow>
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5.根据权利要求2或3所述的多光谱成像系统，其特征在于，滤光片阵列中每一条带的光谱透过率函数近似为一个高斯函数：
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