通用型便攜式地物光譜成像儀制造技術

本專利公開了一種通用型便攜式地物光譜成像儀，它包括光譜分析模塊、數據采集與處理模塊、軟件控制模塊、安裝基座。光譜分析模塊采用視場光闌與探測器共軛成像的光學設計，以及通用型標準接口設計，實現成像鏡頭可切換的精細光譜成像探測；數據采集與處理模塊通過多射頻復合聲光可調驅動技術實現可編程光譜選擇，獲取目標圖像和光譜數據；對軟件控制模塊進行配置，實現光譜和圖像數據實時處理與分析；光機構型采用折轉設計，實現儀器緊湊、輕小型。采用本專利實施的儀器，在具備高性能精細光譜成像分析功能的同時，滿足體積、重量及多種類環境、功能的特殊要求，適應多應用領域的光譜探測及應用。

【技術實現步驟摘要】

：本專利涉及一種地物光譜成像儀，特別指便攜式，成像鏡頭可切換的通用型地物光譜成像設備。該儀器通過視場光闌與面陣探測器的物像共軛完善成像，聲光可調凝視光譜可編程選擇，通用標準接口切換光學成像鏡頭的技術途徑，達到輕小型、便攜式的應用目的，特別適合多種類環境、功能要求下的精細光譜成像分析及處理應用。
技術介紹
：形態測量和光譜測量是研究地物結構和成份的主要方法，其基于不同地物目標的光譜特征，以及微粒的尺寸和形狀各不相同。成像光譜儀能在獲取所觀測目標二維空間信息的同時，以高光譜分辨率獲取目標像素的光譜信息，在光譜圖像立方體上有可能直接區分和識別目標，在土地資源調查、農林業、環境與災害監測、海洋、數字城市等國民經濟方面和偽裝識別、作戰環境偵察等軍事應用方面均有重要應用價值。圖像能提供地面目標精細的幾何特性，而光譜提供目標的光譜信息，能通過對地物幾何及特征光譜的判別進行目標識別和分類。成像光譜技術起源于上世紀70年代初期的多光譜遙感技術，并隨著對地觀測應用的需要而發展，成像光譜儀是一種在成像光譜技術基礎上發展起來的新概念光學有效載荷。隨著光學、計算機和焦平面探測器等基礎技術的不斷發展，成像光譜技術在九十年代取得了巨大進步。成像光譜儀器的研制及應用，最終目標是實現對地物目標的幾何及光譜特征的測量，與遙感相機或光譜儀相比，在目標識別方面具有更強的能力。在過去三十年里，成像光譜技術獲得巨大的發展，在礦產資源、環境監測、精準農林和軍事國防等方面發揮了重要的作用，但是，成像光譜儀技術的進一步發展，不斷適應了應用部門對精細遙感數據的需求。但是，成像光譜儀的進一步廣泛應用，存在以下幾方面的局限性：1)空間分辨率與不同應用需求矛盾，數據的空間分辨率選擇及可控性不強，特別是不適應便攜式地物圖像及譜圖獲取應用對圖像及光譜的需求；2)儀器體積及重量不斷增加，相對于便攜式地物探測應用矛盾突出。
技術實現思路
：本專利提供一種通用型便攜式地物光譜成像儀，在實現精細光譜分析的同時，滿足體積、重量及多種類環境、應用的要求。本專利主要特點為：1)通過視場光闌與面陣探測器的物像共軛完善成像，減小光學鏡頭互換時對成像質量的影響；2)采用多射頻復合聲光可調驅動技術實現光譜可編程選擇，獲取目標圖像及光譜數據；3)采用光路折轉的光機構型設計，進一步實現緊湊、輕小；4)采用通用標準接口，實現光學成像鏡頭的靈活切換；5)采用FPGA結合上位機的軟件控制，實現數據獲取及分析處理。本專利提供的通用型便攜式地物光譜成像儀包括光譜分析模塊1、數據采集與處理模塊2、軟件控制模塊3、安裝基座4，如附圖1及附圖2所示。所述的光譜分析模塊1由成像鏡頭11、標準接口10、視場光闌12、準直鏡13、格蘭棱鏡一14、聲光可調濾光器AOTF15、格蘭棱鏡二16、會聚鏡17、像面折轉反射鏡18、面陣探測器19組成。其中：光譜分析模塊1中的視場光闌12與面陣探測器19成物像共軛完善成像關系，減小成像鏡頭11的互換對成像質量的影響；多通道聲光可調濾光器(AOTF)15通過數據采集與處理模塊2中的射頻匹配電路實現寬譜段的時間掃描凝視精細光譜成像探測；采用像面折轉反射鏡18實現光路折轉構型，實現緊湊型及輕小型；采用通用的標準接口10，實現光學成像鏡頭的靈活切換。所述的軟件控制模塊3由圖像與光譜實時顯示模塊、光譜儀控制模塊、射頻驅動控制、CCD控制、配置參數設置組成。其中：圖像與光譜實時顯示模塊和光譜儀控制模塊通過軟件界面人機交互完成對射頻驅動控制、CCD控制、配置參數設置的操作；射頻驅動控制通過串口通信協議實現射頻驅動板指令發送，完成單頻輸出和掃描輸出的選擇；CCD控制通過TCP通信協議實現CCD相機指令發送，完成單幀捕獲和視頻捕獲的選擇；配置參數設置通過本地文件實現光譜儀配置的控制，完成通信端口、光譜頻率表等設置。所述的數據采集與處理模塊2根據軟件控制模塊3的指令實現對光譜分析模塊1的控制，按要求進行光譜選擇，在寬譜段范圍內采集圖像及光譜信號，回傳至軟件控制模塊3存儲及處理。光譜成像儀光電探測原理為：探測目標反射的光輻射，首先經成像鏡頭11將光輻射成像于視場光闌12上，由準直鏡13準直，通過格蘭棱鏡一14起偏為線偏振光，然后由AOTF15實現程控射頻驅動選擇衍射光波長，被格蘭棱鏡二16檢偏過濾0級光，再由會聚鏡17會聚，經像面折轉反射鏡18會聚至探測器19上，實現光譜圖像探測。光譜成像儀具體工作步驟如下：1)加電待機，此時數據采集與處理模塊2待命工作；2)工作模式設計及參數計算；3)通過軟件控制模塊3，人機交互完成通信端口、光譜頻率表等工作參數的設置，射頻驅動控制、CCD控制等相應功能的選擇；4)發送工作指令；數據采集與處理模塊2接收并解譯指令；5)光譜分析模塊1按指令要求工作，采集光譜圖像數據；6)軟件控制模塊3按要求進行數據分析及處理；7)待機，等待下一步工作指令。本專利技術解決思路如下：利用通用標準接口，靈活切換不同焦距光學成像鏡頭，實現視場及空間分辨率按應用需求選擇及變換；對視場光闌與面陣探測器進行物像共軛完善成像設計，減小光學鏡頭互換時對成像質量的影響；利用多射頻復合聲光可調驅動技術，實現較寬譜段范圍的光譜可編程選擇，靈活獲取目標光譜圖像數據；FPGA與上位機軟件相結合，實現控制及數據分析處理；光路折轉的光機構型設計，進一步實現緊湊、輕小。本專利的優點在于：1)光學視場、空間分辨率、成像光譜均可靈活選擇探測。采用聲光可調濾光器配以射頻驅動組合，光路折轉的光機構型設計實現緊湊及輕小型寬譜段光譜探測；利用多射頻復合聲光可調驅動技術，實現較寬譜段范圍的光譜可編程選擇。2)輕小、緊湊、使用便攜。利用聲光可調濾光器分析、結合光路折轉的光機構型設計，實現輕小、緊湊；FPGA與上位機軟件相結合，實現便攜的控制及數據分析處理。該專利可以實現高性能就位精細光譜分析的同時滿足體積、重量及多種類環境、功能的特殊要求，適應多應用領域的光譜探測及應用。附圖說明：圖1為本專利可編程精細光譜分析系統模型爆炸示意圖，圖中:1----為光譜分析模塊；2----為數據采集與控制模塊；4----為安裝基座。圖2為本專利中光譜分析模塊1說明圖。圖3為本專利中軟件控制模塊3說明圖。圖4為本專利的工作流程說明圖。圖5為實施例光譜分析模塊1光路說明圖。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種通用型便攜式地物光譜成像儀，它包括光譜分析模塊(1)、數據采集與處理模塊(2)、軟件控制模塊(3)、安裝基座(4)，其特征在于：所述的光譜分析模塊(1)由成像鏡頭(11)、標準接口(10)、視場光闌(12)、準直鏡(13)、格蘭棱鏡一(14)、聲光可調濾光器AOTF(15)、格蘭棱鏡二(16)、會聚鏡(17)、像面折轉反射鏡(18)、面陣探測器(19)組成；標準接口(10)采用通用型標準接口設計方便不同焦距成像鏡頭(11)切換；視場光闌(12)與面陣探測器(19)采用物像共軛完善成像的光學設計，減小光學鏡頭切換時對成像質量的影響；所述的軟件控制模塊(3)由圖像與光譜實時顯示模塊、光譜儀控制模塊、射頻驅動控制、CCD控制、配置參數設置組成，光譜儀控制模塊依次接射頻驅動控制和聲光可調濾光器AOTF(15)；在上位機設定配置參數設置，經射頻驅動控制產生可選擇調制的射頻信號，射頻信號經數據采集與處理模塊(2)驅動聲光可調濾光器AOTF(15)按控制要求進行掃描分光；通過上位機軟件配置參數設置可以實時控制和處理分析采集獲取的光譜和圖像數據；通過上位機指令由數據采集與處理模塊(2)實現對光譜分析模塊(1)的控制，使其按要求進行光譜選擇獲得寬譜段范圍內的采集圖像及光譜信號，回傳至軟件控制模塊(3)存儲及處理；光譜成像儀由通用標準接口(10)靈活切換不同焦距的光學成像鏡頭，實現光學視場及空間分辨率按應用需求選擇及變換；數據采集與處理模塊(2)使用FPGA結合上位機軟件實現便攜控制及數據分析處理，由軟件控制模塊(3)結合數據采集與處理模塊(2)利用多射頻復合聲光可調驅動技術，實現較寬譜段范圍的光譜可編程靈活選擇。...

【技術特征摘要】
1.一種通用型便攜式地物光譜成像儀，它包括光譜分析模塊(1)、數據采集與處理模塊(2)、軟件控制模塊(3)、安裝基座(4)，其特征在于：
所述的光譜分析模塊(1)由成像鏡頭(11)、標準接口(10)、視場光闌(12)、準直鏡(13)、格蘭棱鏡一(14)、聲光可調濾光器AOTF(15)、格蘭棱鏡二(16)、會聚鏡(17)、像面折轉反射鏡(18)、面陣探測器(19)組成；標準接口(10)采用通用型標準接口設計方便不同焦距成像鏡頭(11)切換；視場光闌(12)與面陣探測器(19)采用物像共軛完善成像的光學設計，減小光學鏡頭切換時對成像質量的影響；
所述的軟件控制模塊(3)由圖像與光譜實時顯示模塊、光譜儀控制模塊、射頻驅動控制、CCD控制、配置參數設置組成，光譜儀控制模塊依次接射頻驅動控制和聲光可調濾光器AOTF(15...

【專利技術屬性】
技術研發人員：何志平，陳爽，徐睿，徐映宇，袁立銀，呂剛，卜宏毅，舒嶸，
申請(專利權)人：中國科學院上海技術物理研究所，
類型：新型
國別省市：上海;31