一種立體高光譜成像裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明實(shí)施例公開了一種立體高光譜成像裝置包括平臺，設(shè)置在平臺上的前視光學(xué)成像單元、后視光學(xué)成像單元以及正視光譜成像單元，前視光學(xué)成像單元與正視光譜成像單元之間的夾角以及后視光學(xué)成像單元與正視光譜成像單元之間的夾角符合預(yù)設(shè)要求：前視光學(xué)成像單元包括依次設(shè)置的第一前置鏡以及第一探測器；后視光學(xué)成像單元包括依次設(shè)置的第二前置鏡以及第二探測器；正視光譜成像單元包括依次設(shè)置的第三前置鏡、分光器件、匯聚鏡以及第三探測器。三個視角的成像數(shù)據(jù)經(jīng)重構(gòu)處理，可以得到地物的空間立體圖像，而直視成像采用光譜成像，由此同時獲取了地物的光譜圖像信息，既能直觀反映被測目標(biāo)的立體幾何形貌，又能提供目標(biāo)的理化屬性。
【專利說明】一種立體高光譜成像裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光譜成像【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種立體高光譜成像裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人們對于世界間事物認(rèn)識和了解的不斷深入，僅僅從二維的圖像或者圖像序列中對觀測信息進(jìn)行識別、推理和判斷已經(jīng)越來越無法滿足目前工、農(nóng)業(yè)各方面需求。由此CAD (Computer Aided Design,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))/CAM (Computer Aided Manufacture,計(jì)算機(jī)輔助制造)以及各種三維測量方法不斷提出并得到發(fā)展，其中較有應(yīng)用前景、目前研究較多的三維成像技術(shù)是基于立體視覺原理的三線陣光學(xué)立體成像方法和主動式激光測距立體成像方法(也稱為激光雷達(dá)立體成像方法)。
[0003]其中，激光雷達(dá)立體成像方法，受限于激光雷達(dá)探測硬件的限制，所獲得的對地立體探測數(shù)據(jù)及其處理方面不是很完善，同時，當(dāng)采用分時融合技術(shù)時，對激光雷達(dá)的各種參數(shù)精度要求較高，配準(zhǔn)精度難以保證，當(dāng)采用共孔徑方式時，系統(tǒng)過于復(fù)雜，測高點(diǎn)采樣受采樣速率限制不夠密集，高度維精度受到限制。
[0004]另外，三線陣光學(xué)立體成像方法由于需要三個探測器非共軸同時對目標(biāo)成像，從而對平臺要求較高而存在相應(yīng)的缺陷。如圖1所示為典型的三鏡頭三線陣攝影機(jī)結(jié)構(gòu)圖，通過一個穩(wěn)定平臺將三個光學(xué)參數(shù)符合對地面空間分辨率和成像角度比配一致的相機(jī)整合裝配到一起，三個相機(jī)的傾斜角以及對地面空間分辨率都是基于計(jì)算機(jī)雙目視覺立體成像原理而制定。三個相機(jī)的成像探測器均為三線陣型(XD (Charge Coupled Device,電荷耦合器件)探測器，導(dǎo)致其成像也將為長條型畫幅，后期還需通過計(jì)算機(jī)拼接和相機(jī)系統(tǒng)推掃才能獲取到大區(qū)域的立體成像圖。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明實(shí)施例的目的是提供一種立體高光譜成像裝置，改善立體圖像和目標(biāo)光譜的識別效果。
[0006]本發(fā)明實(shí)施例的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—種立體高光譜成像裝置，包括平臺，設(shè)置在所述平臺上的前視光學(xué)成像單元、后視光學(xué)成像單元以及正視光譜成像單元，所述前視光學(xué)成像單元與所述正視光譜成像單元之間的夾角以及所述后視光學(xué)成像單元與所述正視光譜成像單元之間的夾角符合預(yù)設(shè)要求:
[0008]所述前視光學(xué)成像單元包括依次設(shè)置的第一前置鏡以及第一探測器，成像目標(biāo)通過第一前置鏡與第一探測器滿足物像關(guān)系；
[0009]所述后視光學(xué)成像單元包括依次設(shè)置的第二前置鏡以及第二探測器，成像目標(biāo)通過第二前置鏡與第二探測器滿足物像關(guān)系；
[0010]所述正視光譜成像單元包括依次設(shè)置的第三前置鏡、分光器件、匯聚鏡以及第三探測器，成像目標(biāo)通過第三前置鏡131、分光器件132、匯聚鏡133與第三探測器134滿足物像關(guān)系。
[0011]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，在光譜直視成像的基礎(chǔ)上，增加兩個視角的成像(前視和后視)，三個視角的成像數(shù)據(jù)經(jīng)重構(gòu)處理，可以得到地物的空間立體圖像，而直視成像采用光譜成像，由此同時獲取了地物的光譜圖像信息，由此可以同時獲取地物的四維圖譜信息(三維立體圖像和一維光譜信息)。既能直觀反映被測目標(biāo)的立體幾何形貌，又能提供目標(biāo)的理化屬性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)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(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。
[0013]圖1為典型的三鏡頭三線陣攝影機(jī)結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的立體高光譜成像裝置示意圖。
[0015]圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的立體高光譜成像裝置三個相機(jī)得到三個不同地面點(diǎn)的圖像不意圖。
[0016]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的立體高光譜成像裝置在三個不同時刻，三個相機(jī)(后、正、前)依次對同一地面點(diǎn)成像示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0018]本發(fā)明實(shí)施例的立體高光譜成像裝置，通過共前置鏡系統(tǒng)和穩(wěn)定平臺系統(tǒng)，徹底改變目前常見各種傳統(tǒng)成像光譜儀的二維圖像的局限，克服、改變傳統(tǒng)三線陣立體成像的穩(wěn)定度低、能量低的難點(diǎn)和局限，并且成像提供立體高分辨率圖像和景物光譜信息，形成四個維度的景物探測矩陣，可增加對目標(biāo)空間分布狀態(tài)理解的反映判斷，在信息工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、食品快速檢測等民用領(lǐng)域所需的光譜檢測和物質(zhì)、目標(biāo)檢測識別等需求上提供一個全新的探測手段和技術(shù)。
[0019]如圖1所所示，本發(fā)明實(shí)施例提供一種立體高光譜成像裝置，包括平臺，設(shè)置在平臺上的前視光學(xué)成像單元11、后視光學(xué)成像單元12以及正視光譜成像單元13，前視光學(xué)成像單元11與正視光譜成像單元13之間的夾角以及后視光學(xué)成像單元12與正視光譜成像單元13之間的夾角符合預(yù)設(shè)要求:
[0020]前視光學(xué)成像單元11包括依次設(shè)置的第一前置鏡111以及第一探測器112，成像目標(biāo)通過第一前置鏡111與第一探測器112滿足物像關(guān)系；
[0021]后視光學(xué)成像單元12包括依次設(shè)置的第二前置鏡121以及第二探測器122，成像目標(biāo)通過第二前置鏡121與第二探測器122滿足物像關(guān)系；
[0022]正視光譜成像單元13包括依次設(shè)置的第三前置鏡131、分光器件132、匯聚鏡133以及第三探測器134，成像目標(biāo)通過第三前置鏡131、分光器件132、匯聚鏡133與第三探測器134滿足物像關(guān)系。
[0023]其中，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易得知成像目標(biāo)位于圖的左側(cè)，圖中未示意。
[0024]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解前視光學(xué)成像單元11包含的各器件需要保持同一光軸，也就是保證同視場各個角度光線通過其后續(xù)各器件成像，后視光學(xué)成像單元12包含的各器件需要保持同一光軸，也就是保證同視場各個角度光線通過其后續(xù)各器件成像，正視光譜成像單元13包含的各器件需要保持同一光軸，也就是保證同視場各個角度光線通過其后續(xù)各器件成像。因此最終得到同一地域景物的三個像，包含兩個二維圖像，一個三維光譜圖像。其中三個不同光軸可以有部分光軸合并為一個光軸，以便實(shí)現(xiàn)更緊湊光路和縮減系統(tǒng)體積。
[0025]光通過第一前置鏡111匯聚到第一探測器112上成像。
[0026]光通過第二前置鏡121匯聚到第二探測器122上成像。
[0027]光通過第三前置鏡131后發(fā)射平行光到分光器件132，再通過分光器件132分光后發(fā)射出平行光，最后通過匯聚鏡133匯聚到第三探測器134上成像。
[0028]本發(fā)明實(shí)施例的立體高光譜成像裝置，采用空間立體成像技術(shù)與光譜成像技術(shù)融合，在傳統(tǒng)光譜直視成像的基礎(chǔ)上，增加兩個視角的成像(前視和后視)，三個視角的成像數(shù)據(jù)經(jīng)重構(gòu)處理，可以得到地物的空間立體圖像，而直視成像采用光譜成像，由此同時獲取了地物的光譜圖像信息，由此可以同時獲取地物的四維圖譜信息(三維立體圖像和一維光譜信息)。既能直觀反映被測目標(biāo)的立體幾何形貌，又能提供目標(biāo)的理化屬性。
[0029]而且，本發(fā)明實(shí)施例的立體高光譜成像裝置，加工裝調(diào)簡單、穩(wěn)定性高、能量利用率高、成像質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，生產(chǎn)成本低，適用于生物醫(yī)學(xué)、食品快速檢測、目標(biāo)探測識別等民用領(lǐng)域。
[0030]本發(fā)明實(shí)施例的立體高光譜成像裝置，第一前置鏡111可以為球面或非球面的前置鏡，第二前置鏡121可以為球面或非球面的前置鏡,第三前置鏡131可以為球面或非球面的前置鏡。
[0031]分光器件132可以為棱鏡或者光柵。
[0032]匯聚鏡133可以為球面或非球面的匯聚鏡。
[0033]第一探測器112為線陣或面陣COKCharge Coupled Device,電荷稱合器件)探測器，或者線陣或面陣CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor,互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)探測器，第二探測器122為線陣或面陣CCD探測器，或者線陣或面陣CMOS探測器，第三探測器134為線陣或面陣CCD探測器，或者線陣或面陣CMOS探測器。
[0034]前視光學(xué)成像單元11與正視光譜成像單元13之間的夾角預(yù)設(shè)要求為小于60度；
[0035]上述夾角可以理解為前視光學(xué)成像單元包含的器件的中心軸與正視光譜成像單元包含的器件的中心軸之間的夾角。
[0036]后視光學(xué)成像單元12與正視光譜成像單元13之間的夾角預(yù)設(shè)要求為小于60度。
[0037]上述夾角可以理解為后視光學(xué)成像單元包含的器件的中心軸與正視光譜成像單元包含的器件的中心軸之間的夾角。
[0038]本發(fā)明實(shí)施例的立體高光譜成像裝置，前視光學(xué)成像單元、后視光學(xué)成像單元以及正視光譜成像單元共用一個前置光路，然后通過分離光路分到各自的中繼光路處，正視光譜成像單元額外有分光器件(光柵或者棱鏡)用以分離光波段，然后前視光學(xué)成像單元、后視光學(xué)成像單元以及正視光譜成像單元各自成像到各自探測器上。然后，通過對成像數(shù)據(jù)的后續(xù)計(jì)算機(jī)處理，得到四個維度(三個空間維度，一個光譜維度)的探測數(shù)據(jù)矩陣。
[0039]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可以改變前視光學(xué)成像單元、后視光學(xué)成像單元以及正視光譜成像單元的位置和數(shù)量，改變其前置光路共用，或者中繼光路共用，或者探測器共用，例如，前置光路是可以后邊再加反射鏡，或者半反半透鏡、球面反射鏡等器件進(jìn)行分光的，然后再傳輸光場到中繼光路上，或者到探測器上，等等，實(shí)現(xiàn)共用前置光路，中繼光路共用以及探測器共用可以參考因此上述說明，在此不作贅述；
[0040]可以改變前置鏡，分光器件、匯聚鏡的數(shù)量以及相關(guān)參數(shù)如尺寸大小、厚度和所使用的光學(xué)材料等；
[0041]可以改變探測器的類型和數(shù)量以及相關(guān)參數(shù)如尺寸大小、厚度和所使用的半導(dǎo)體材料等。
[0042]本發(fā)明實(shí)施例的立體高光譜成像裝置可以安裝在飛行體上，飛行體飛行過程中，依次對地面進(jìn)行掃描，如圖3所示，在同一個時刻，前視光學(xué)成像單元(探測器31)、正視光學(xué)成像單元(探測器32)以及前視光譜成像單元(探測器33)將得到三個不同地面點(diǎn)的圖像34、圖像35、圖像36。
[0043]而如果確定好前視光學(xué)成像單元、后視光學(xué)成像單元以及正視光譜成像單元彼此之間的傾斜角，利用三者彼此之間以及和地面地物之間的幾何比例關(guān)系，可在三個不同時亥Ij得到同一地面點(diǎn)的三個不同視角下的圖像，如圖4所示，選時間軸上時刻Tl、T2、T3 (T3> T2 > Tl )，可見，在時刻Tl，后視光學(xué)成像單元(探測器41 )、正視光學(xué)成像單元(探測器42)以及前視光譜成像單元(探測器43)中前視光譜成像單元(探測器43)得到圖像40 ;在時刻T2，后視光學(xué)成像單元(探測器44 )、正視光學(xué)成像單元(探測器45 )以及前視光譜成像單元(探測器46)中正視光譜成像單元(探測器45)得到圖像40 ;在時刻T3，后視光學(xué)成像單元(探測器47)、正視光學(xué)成像單元(探測器48)以及前視光譜成像單元(探測器49)中后視光譜成像單元(探測器47)得到圖像40。三個視角的成像數(shù)據(jù)經(jīng)重構(gòu)處理，可以得到地物的空間立體圖像。其中正視分系統(tǒng)獲得是光譜立方體，為考慮系統(tǒng)便于裝調(diào)和應(yīng)用于各種環(huán)境，不采用能量補(bǔ)償，故而在分光器件之后傳輸?shù)墓鈱W(xué)能量將降低，圖譜系統(tǒng)的空間分辨率將有所降低。因此在獲得前視和后視光學(xué)成像系統(tǒng)成像之后，采用數(shù)據(jù)融合的方法，對正視系統(tǒng)空間分辨率提聞。
[0044]由于地形的高度變化，掃描地面同一點(diǎn)的前視光學(xué)成像單元、后視光學(xué)成像單元以及正視光譜成像單元相機(jī)的距離時大時小，如果飛行體是勻速直線飛行且沒有俯仰和側(cè)滾的變化，則可根據(jù)同名像點(diǎn)對應(yīng)的周期，求出對應(yīng)前視光學(xué)成像單元、后視光學(xué)成像單元以及正視光譜成像單元相機(jī)的距離，從而按照簡單的三角測量方法求出地面點(diǎn)的坐標(biāo)，此為根據(jù)現(xiàn)有的計(jì)算方法可以實(shí)現(xiàn)，在此不再展開描述。
[0045]但實(shí)際上，飛行體的速度和姿態(tài)是常變的，這就要求有飛行體的運(yùn)動和姿態(tài)測量系統(tǒng)，如要求精度不高，就可利用測出的飛行體運(yùn)動和姿態(tài)參數(shù)，用解簡單方程組的方法求出，此為根據(jù)現(xiàn)有的計(jì)算方法可以實(shí)現(xiàn)，在此不再展開描述；如要求精度高，就得采用傳統(tǒng)攝影測量的光束法平差理論，此為根據(jù)現(xiàn)有的計(jì)算方法可以實(shí)現(xiàn)，在此不再展開描述。
[0046]通過上述描述，可見本發(fā)明實(shí)施例的立體高光譜成像裝置與現(xiàn)有技術(shù)方案相比:[0047]結(jié)構(gòu)緊湊，加工裝調(diào)簡單、穩(wěn)定性好，易于實(shí)現(xiàn)輕量化小型化的生產(chǎn)要求；
[0048]相比三線陣光學(xué)立體成像，本發(fā)明實(shí)施例的立體高光譜成像裝置能量利用率高，利用光柵(或棱鏡)等分光器件可分光波段成像，獲得各個波段的光譜圖像，相比只有三維光學(xué)圖像，圖像信息獲取更充分、有效；
[0049]相比三線陣光學(xué)立體成像，本發(fā)明實(shí)施例的立體高光譜成像裝置采用光路分離，共光學(xué)前置光路，對穩(wěn)定平臺要求低；
[0050]相比同類型光譜成像儀，本發(fā)明實(shí)施例的立體高光譜成像裝置可以實(shí)現(xiàn)立體光學(xué)圖像和光譜圖像同時獲取，而且對光譜成像儀所獲得圖譜圖像分辨率要求低，降低了光譜分光設(shè)計(jì)難度；
[0051]相比激光雷達(dá)立體成像，本發(fā)明實(shí)施例的立體高光譜成像裝置簡單，不受到激光采樣速率和頻率的限制，在數(shù)據(jù)處理部分，對光學(xué)系統(tǒng)的各種參數(shù)精度要求很少，甚至可以忽略。
[0052]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種立體高光譜成像裝置，其特征在于，包括平臺，設(shè)置在所述平臺上的前視光學(xué)成像單元、后視光學(xué)成像單元以及正視光譜成像單元，所述前視光學(xué)成像單元與所述正視光譜成像單元之間的夾角以及所述后視光學(xué)成像單元與所述正視光譜成像單元之間的夾角符合預(yù)設(shè)要求: 所述前視光學(xué)成像單元包括依次設(shè)置的第一前置鏡以及第一探測器，成像目標(biāo)通過第一前置鏡與第一探測器滿足物像關(guān)系； 所述后視光學(xué)成像單元包括依次設(shè)置的第二前置鏡以及第二探測器，成像目標(biāo)通過第二前置鏡與第二探測器滿足物像關(guān)系； 所述正視光譜成像單元包括依次設(shè)置的第三前置鏡、分光器件、匯聚鏡以及第三探測器，成像目標(biāo)通過第三前置鏡、分光器件、匯聚鏡與第三探測器滿足物像關(guān)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立體高光譜成像裝置，其特征在于，所述第一前置鏡為球面或非球面的前置鏡，所述第二前置鏡為球面或非球面的前置鏡，所述第三前置鏡為球面或非球面的前置鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的立體高光譜成像裝置，其特征在于，所述分光器件為棱鏡或者光柵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的立體高光譜成像裝置，其特征在于，所述匯聚鏡為球面或非球面的匯聚鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的立體高光譜成像裝置，其特征在于，所述第一探測器為線陣或面陣電荷耦合器件CCD探測器，或者線陣或面陣互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS探測器，所述第二探測器為線陣或面陣CCD探測器，或者線陣或面陣CMOS探測器，所述第三探測器為線陣或面陣CCD探測器，或者線陣或面陣CMOS探測器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的立體高光譜成像裝置，其特征在于，所述前視光學(xué)成像單元與所述正視光譜成像單元之間的夾角預(yù)設(shè)要求為小于60度； 所述后視光學(xué)成像單元與所述正視光譜成像單元之間的夾角預(yù)設(shè)要求為小于60度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的立體高光譜成像裝置，其特征在于，光通過所述第三前置鏡后發(fā)射平行光到所述分光器件，再通過所述分光器件分光后發(fā)射出平行光，最后通過所述匯聚鏡匯聚到所述第三探測器上成像。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的立體高光譜成像裝置，其特征在于，根據(jù)所述前視光學(xué)成像單元與所述正視光譜成像單元之間的夾角以及所述后視光學(xué)成像單元與所述正視光譜成像單元之間的夾角，所述前視光學(xué)成像單元得到成像目標(biāo)在時刻Tl的圖像，正視光譜成像單元得到成像目標(biāo)在時刻T2的圖像，后視光譜成像單元得到成像目標(biāo)在時刻T3的圖像，其中，T3 > T2 > Tl。
【文檔編號】G01C11/00GK103630118SQ201310597687
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】相里斌, 劉揚(yáng)陽, 呂群波, 裴琳琳, 王建威, 張丹丹 申請人:中國科學(xué)院光電研究院