高精度視場匹配的主被動立體光譜成像裝置及其探測方法制造方法及圖紙

本發明專利技術涉及一種視場匹配、主動探測和被動探測結合的高精度立體光譜成像探測裝置與方法。該裝置包括一個前置鏡組、光路折返及分束組件、三線陣立體成像光譜儀組件和全波形激光雷達組件，全波形激光雷達與三線陣立體光譜成像儀的視場匹配。利用三線陣立體成像光譜儀結合搭載平臺一維推掃運動，可以獲得觀測目標的高精度二維圖像信息、高精度光譜信息和較低精度的高程信息；全波形激光雷達可以同步獲取高精度高程信息和低精度空間分辨率。利用全波形激光雷達的高精度高程信息進行對同一視場地面像元的高程信息進行標定，最終可以獲得高精度的三維空間信息和高精度的光譜信息。

Active and passive stereo spectrum imaging device with high field of view matching and detection method thereof

The invention relates to a high-precision stereo spectrum imaging detecting device and method combining field view matching, active detection and passive detection. The device includes a front lens group, the light path back and beam splitting component and three linear array stereo imaging spectrometer components and full waveform lidar component, full waveform lidar and three line stereo imaging spectrometer view matching. The use of three linear array stereo imaging spectrometer with one-dimensional sweeping motion platform, can obtain the target high precision two-dimensional image information, high precision and low accuracy of the spectral information of the elevation information; full waveform lidar can obtain high precision synchronous elevation information and low accuracy of spatial resolution. The elevation information of ground pixels in the same field of view can be calibrated by using the high-precision elevation information of full waveform lidar. Finally, high-precision three-dimensional spatial information and high-precision spectral information can be obtained.

【技術實現步驟摘要】
高精度視場匹配的主被動立體光譜成像裝置及其探測方法
本專利技術屬于光學
，涉及一種光譜成像裝置與方法，尤其涉及一種高精度視場匹配立體光譜成像探測裝置及其探測方法。
技術介紹
光譜成像技術不僅可以獲得地物目標的兩維空間信息，還能獲得目標的光譜信息，是一種圖譜合一的探測技術，立體光譜成像技術是三維成像技術，光譜成像技術的綜合應用技術。立體光譜成像技術不僅探測目標的三維空間信息，還可以獲得目標的光譜信息，是一種多維信息獲取技術。立體光譜成像技術獲得光譜信息和三維空間信息更夠更好的表述地物的大小、位置，為地物目標的識別、準確定位提供一種有效探測手段。立體光譜成像技術一般采用多種儀器綜合獲取光譜信息、三維空間信息，儀器之間的視場難以配準融合，為后期的圖像處理帶來困難，因此研制一種高精度視場匹配的立體光譜成像系統具有重要意義。
技術實現思路
為了解決
技術介紹
中所存在的技術問題，本專利技術提供了一種立體光譜成像裝置與方法，用于探測地物目標的高精度三維空間信息和光譜信息。該裝置搭載在一維運動平臺上使用，三線陣立體成像光譜儀沿著平臺運動方向進行推掃，直接獲得觀測目標的高精度圖像信息、高精度光譜信息，利用空間前方交會原理計算得到觀測目標的低精度高程信息；全波形激光雷達利用激光測距原理可以獲得觀測目標的高精度高程信息，但受到激光功耗限制無法應用激光陣列，空間分辨率不高。本專利技術的技術解決方案是提供一種高精度視場匹配的主被動立體光譜成像裝置，其特殊之處在于：包括一個前置鏡組、光路折返及分束組件、三線陣立體成像光譜儀組件和全波形激光雷達組件；為了保證前后視成像光譜儀構成的前方交會測量系統具有較大的基線高度比，上述前置鏡組為大視場高透過率雙高斯鏡組，大視場為沿推掃方向的大視場，以基高比不小于0.4計算，得到沿推掃視場優于24度；上述三線陣立體成像光譜儀組件包括前視成像光譜儀、中視成像光譜儀與后視光譜成像儀；上述前視成像光譜儀、中視成像光譜儀、后視光譜成像儀可以為任何類型的帶狹縫的線視場成像光譜儀，包括色散型、干涉型成像光譜儀；前視成像光譜儀、中視成像光譜儀與后視光譜成像儀的視場具有一定夾角，該夾角約等于前置鏡組沿推掃方向的視場角的二分之一；上述的光路折返及分束組件，包括兩個反射鏡和一個分束器；上述反射鏡實現前置鏡輸出光路的折返，為前視光譜成像儀和后視光譜成像儀其它鏡組及探測器提供足夠的安裝空間；上述全波形激光雷達組件包括激光發射系統與激光接收系統；上述中視成像光譜儀與全波形激光雷達共視場；全波形激光雷達的探測器單元和中視成像光譜儀的線陣地面像元為一對多對應關系；即一個全波形激光雷達的探測器單元的視場對應中視光譜儀上若干個地面像元的組合視場；激光發射系統發射激光脈沖并觸發前視成像光譜儀、中視成像光譜儀、后視成像光譜儀曝光，同時觸發激光回波接收系統接收激光回波信號；寬譜段光源經過前置鏡組分成三束光，前方視場入射光束經過反射鏡折返后進入到前視成像光譜儀，前視成像光譜儀獲取前方線形視場的圖譜信號；后方視場入射光束經過反射鏡折返后進入到后視成像光譜儀，后視成像光譜儀獲取后方線形視場的圖譜信號；中間視場入射光束經過分束器，其中可見光波段經過分束器后形成透射光束，被中視成像光譜儀接收；1055nm激光經過分束器后形成反射光束，被激光回波接收系統接收。上述激光發射系統為多波束激光發射系統，包括多個光纖激光器，激光整形鏡組，激光脈沖驅動電路，電源模塊、多傳感器同步觸發系統和溫度穩定模塊；若干個光纖激光器輸出的激光經過激光整形光學系統整形成一個垂直于平臺移動方向的線形視場，該線性視場與中視光譜成像光譜儀的接收視場重疊；多傳感器同步觸發系統的功能一是根據搭載平臺對地飛行速度計算系統的工作幀頻；功能二是控制激光脈沖的發射，觸發前視、中視、后視光譜成像儀同步曝光，同時觸發全波形激光雷達同步接收激光回波信號。上述激光接收系統包括接收微透鏡陣列，APD線陣激光探測器，跨組放大器，差分放大器，AD轉換電路與電源；微透鏡陣列將激光回波進行匯聚，使激光回波能量集中在APD線陣探測器上，APD線陣激光探測器的每個探測單元對應中視光譜成像儀中若干個地面像元，跨組放大器，差分放大器完成APD探測單元信號的低噪聲放大，AD轉換電路將放大的模擬信號轉換成數字信號。本專利技術還提供了一種基于上述的高精度視場匹配的主被動立體光譜成像裝置的地物目標三維空間信息和一維光譜信息的探測方法，具有以下步驟：一、計算系統參數1.1、多傳感器同步觸發系統根據搭載平臺的高度和主被動立體光譜成像系統的焦距、像元尺寸，計算立體光譜成像系統的空間分辨率；根據主被動立體光譜成像系統的空間分辨率及搭載平臺的速度，計算并設置主被動立體光譜成像系統幀頻；1.2、按照光在空氣中的傳播速度，根據下式計算激光回波信號的持續時間：(搭載平臺的高度+地面地物的高度差*2)/300，單位為微秒；其中平臺的高度和地面地物的高度差單位為米；激光接收時間略大于等于激光回波時間，保證全波形雷達信號能夠被完整接收；二、主被動立體光譜成像系統獲得圖譜信息及激光回波信號2.1、多傳感器同步觸發系統觸發激光發射系統發射激光脈沖信號，同時開始計時，激光脈沖信號經過激光整形系統整形之后，均勻的覆蓋中視光譜成像儀的整個視場；2.2、當計時時間為(搭載平臺高度/300)微秒時，多傳感器同步觸發系統觸發前視、中視、后視成像光譜儀開始曝光，同時激光接收系統開始接收激光回波信號；2.3、前視，中視、后視成像光譜儀依次分別獲取垂直于推掃方向的線視場圖譜信息；隨著搭載平臺的運動，前視、中視、后視成像光譜儀獲取的線視場圖譜信息沿推掃方向進行拼接，形成地物的不同觀測角度的圖譜信息；2.4、APD線陣激光探測器獲取與中視成像光譜儀同視場的激光回波信號；三、獲得較低精度的高程信息利用圖像特征匹配方法或光譜特征匹配的方法找出步驟2.3獲得的前視和后視圖譜數據中的同名像對，所謂同名像對即為兩幅圖像中對應同一個地面像元的兩個像素，因為對應同一地元，所以兩個像素的圖像特征和光譜特征相同)。根據前視圖像、后視圖像兩個攝點的外方位元素和前后視圖像內方位元素，按照空間前方交會原理，計算同名像對對應的地面像元的三維空間信息，根據空間前方交會原理的誤差公式可知，該方法能夠獲得高精度的兩維平面信息和低精度的高程信息。根據誤差公式估算高程信息測量誤差范圍；四、全激光雷達系統獲得高精度高程信息全波形雷達回波信號為重疊或獨立的高斯信號組成的序列，每個高斯信號對應一個地物，全波形雷達每發射一次激光脈沖信號，激光接收系統接收整個視場內所有地物分別返回的回波信號，通過對激光接收系統接收的所有地物的回波信號的波形進行高斯分解，根據高斯回波和原始發射激光脈沖之間的時間差，解析出所有地物的高精度高程信息；五、獲得高精度的三維空間信息和光譜信息利用激光接收系統獲得的高精度高程信息對步驟三中的低精度高程信息進行校正；最終整個系統可以獲得高精度的三維空間信息和光譜信息。優選的上述步驟五具體為：a、將前視或后視成像光譜儀圖譜數據與中視成像光譜儀圖譜數據進行匹配，尋找前視或后視成像光譜儀在中視成像光譜儀中的同名像點；b、找到同名像點后，根據步驟三得到的較低精度的高程信息，為匹配上的中視成像光譜儀像素點賦值本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高精度視場匹配的主被動立體光譜成像裝置，其特征在于：包括一個前置鏡組、光路折返及分束組件、三線陣立體成像光譜儀組件和全波形激光雷達組件；所述前置鏡組為大視場高透過率雙高斯鏡組；所述三線陣立體成像光譜儀組件包括前視成像光譜儀、中視成像光譜儀與后視光譜成像儀；所述前視成像光譜儀、中視成像光譜儀、后視光譜成像儀均為帶狹縫的線視場成像光譜儀；前視成像光譜儀、中視成像光譜儀與后視光譜成像儀的視場有夾角；所述的光路折返及分束組件，包括兩個反射鏡和一個分束器；所述全波形激光雷達組件包括激光發射系統與激光接收系統；所述中視成像光譜儀與全波形激光雷達組件共視場；全波形激光雷達的探測器單元的視場對應中視成像光譜儀上若干個地面像元的組合視場；激光發射系統發射激光脈沖并觸發前視成像光譜儀、中視成像光譜儀、后視成像光譜儀曝光，同時觸發激光接收系統接收激光回波信號；前置鏡組將寬譜段光源分成三束光，前方視場入射光束經過反射鏡折返進入前視成像光譜儀，前視成像光譜儀獲取前方線形視場的圖譜信號；后方視場入射光束經過反射鏡折返進入后視成像光譜儀，后視成像光譜儀獲取后方線形視場的圖譜信號；中間視場入射光束經過分束器，分成兩束，其中可見光波段經過分束器后形成透射光束，近紅外波段1055nm的激光回波經過分束器后形成反射光束，反射光束進入激光接收系統，透射光束進入中視成像光譜儀。...

【技術特征摘要】
1.一種高精度視場匹配的主被動立體光譜成像裝置，其特征在于：包括一個前置鏡組、光路折返及分束組件、三線陣立體成像光譜儀組件和全波形激光雷達組件；所述前置鏡組為大視場高透過率雙高斯鏡組；所述三線陣立體成像光譜儀組件包括前視成像光譜儀、中視成像光譜儀與后視光譜成像儀；所述前視成像光譜儀、中視成像光譜儀、后視光譜成像儀均為帶狹縫的線視場成像光譜儀；前視成像光譜儀、中視成像光譜儀與后視光譜成像儀的視場有夾角；所述的光路折返及分束組件，包括兩個反射鏡和一個分束器；所述全波形激光雷達組件包括激光發射系統與激光接收系統；所述中視成像光譜儀與全波形激光雷達組件共視場；全波形激光雷達的探測器單元的視場對應中視成像光譜儀上若干個地面像元的組合視場；激光發射系統發射激光脈沖并觸發前視成像光譜儀、中視成像光譜儀、后視成像光譜儀曝光，同時觸發激光接收系統接收激光回波信號；前置鏡組將寬譜段光源分成三束光，前方視場入射光束經過反射鏡折返進入前視成像光譜儀，前視成像光譜儀獲取前方線形視場的圖譜信號；后方視場入射光束經過反射鏡折返進入后視成像光譜儀，后視成像光譜儀獲取后方線形視場的圖譜信號；中間視場入射光束經過分束器，分成兩束，其中可見光波段經過分束器后形成透射光束，近紅外波段1055nm的激光回波經過分束器后形成反射光束，反射光束進入激光接收系統，透射光束進入中視成像光譜儀。2.根據權利要求1所述的高精度視場匹配的主被動立體光譜成像裝置，其特征在于：所述激光發射系統為多波束激光發射系統，包括多個光纖激光器，激光整形鏡組，激光脈沖驅動電路，電源模塊，多傳感器同步觸發系統和溫度穩定模塊；光纖激光器輸出的激光經過激光整形鏡組整形成一個垂直于搭載平臺移動方向的線形視場，該線性視場與中視光譜成像光譜儀的接收視場重疊；多傳感器同步觸發系統根據搭載平臺對地飛行速度信息計算系統幀頻，并控制激光脈沖的發射，觸發前視、中視、后視光譜成像儀同步曝光，同時觸發激光接收系統同步接收激光回波信號。3.根據權利要求1所述的高精度視場匹配的主被動立體光譜成像裝置，其特征在于：所述激光接收系統包括接收微透鏡陣列，APD線陣激光探測器，跨組放大器，差分放大器，AD轉換電路與電源；所述微透鏡陣列將激光回波進行匯聚，使激光回波能量集中在APD線陣探測器上，所述APD線陣激光探測器的每個探測單元對應中視光譜成像儀中的若干個地面像元，所述跨組放大器與差分放大器對APD線陣探測器探測單元輸出信號進行低噪聲放大，所述AD轉換電路將放大信號轉換成數字信號。4.基于權利要求1所述的高精度視場匹配的主被動立體光譜成像裝置的探測方法，其特征在于：具有以下步驟：一、計算系統參數1.1、多傳感器同步觸發系統根據搭載平臺的高度和主被動立體光譜成像系統的焦距、像元尺寸，計算立體光譜成像系統的空間分辨率；根據主被動立體光譜成像系統的空間分辨率及搭載平臺的速度，計算并設置主被動立體光譜成像系統幀頻；1.2、根據下式計算激光回波信號的持續時間：(搭載平臺的高度+地面地物的高度差*2)/300，單位為微秒...

【專利技術屬性】
技術研發人員：高曉惠，孫鑫，朱少嵐，王飛橙，高存孝，李洪波，李蕓，武登山，趙強，胡炳樑，
申請(專利權)人：中國科學院西安光學精密機械研究所，
類型：發明
國別省市：陜西,61