短波紅外晝夜遠(yuǎn)距離多光譜成像儀及成像方法技術(shù)

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)公開(kāi)了一種短波紅外晝夜遠(yuǎn)距離多光譜成像儀及成像方法，光信號(hào)經(jīng)過(guò)短波紅外鏡頭后，由濾光片輪實(shí)現(xiàn)分光，之后的探測(cè)器組件及電子學(xué)部分完成光電轉(zhuǎn)換和圖像數(shù)據(jù)采集，輸出圖像。激光器根據(jù)當(dāng)前成像波段，輸出相應(yīng)波長(zhǎng)的激光進(jìn)行照明，配合濾光片輪完成多光譜成像。該儀器利用短波紅外良好的大氣透過(guò)特性，進(jìn)行遠(yuǎn)距離多光譜觀(guān)測(cè)；輔以人眼不可見(jiàn)的短波紅外大功率可調(diào)諧激光對(duì)相應(yīng)波段進(jìn)行照明，實(shí)現(xiàn)夜間成像。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專(zhuān)利技術(shù)涉及一種多光譜成像儀，具體涉及一種主動(dòng)式。
技術(shù)介紹
短波紅外成像儀的工作波段一般在O. 9 μ πΓ2· 5 μ m，其成像原理與人眼可見(jiàn)光成像相同，都是捕捉目標(biāo)反射光，因此其成像效果接近目視成像，易于實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)的目標(biāo)辨認(rèn)。許多地物在短波紅外波段有著豐富的光譜特性，所以在該譜段進(jìn)行多光譜成像，可以有效實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別。短波紅外較可見(jiàn)光波長(zhǎng)長(zhǎng)，受大氣、氣溶膠以及微小顆粒的影響相對(duì)較小，因此大氣透過(guò)率較高，觀(guān)測(cè)距離遠(yuǎn)，并具備一定穿透煙霧的能力。 捕捉目標(biāo)反射光信號(hào)的成像系統(tǒng)白天成像的光源是太陽(yáng)光，夜間成像依賴(lài)夜空輝光以及儀器自身照明。短波紅外波段的夜空輝光能量顯著高于其他波段，適于夜視。與之匹配的一般照明燈比如紅外探照燈、LED等，適合近距離觀(guān)測(cè)，而要發(fā)揮短波紅外遠(yuǎn)距離探測(cè)的特性，延長(zhǎng)夜間觀(guān)測(cè)距離，就需要選擇能量大、匯聚性好激光進(jìn)行照明。且短波紅外激光不能為人眼所見(jiàn)，使得儀器有很強(qiáng)的隱蔽性。現(xiàn)有的短波紅外多光譜相機(jī)或成像光譜儀等光譜探測(cè)設(shè)備，都只能利用太陽(yáng)光實(shí)現(xiàn)白天觀(guān)測(cè)，不能用于需要晝夜監(jiān)控的場(chǎng)合。而目前利用短波紅外激光器照明成像的儀器，雖然可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的夜間成像功能，但普通激光器為單色光照明，探測(cè)器響應(yīng)波段內(nèi)其他波長(zhǎng)的信號(hào)只能依賴(lài)夜空輝光獲得，非常微弱。所以?xún)x器捕捉的是某一特定波長(zhǎng)的地物反射信號(hào)，信息不豐富，遇到恰好在這一波長(zhǎng)反照率低的目標(biāo)便難以觀(guān)測(cè)。同時(shí)，這類(lèi)儀器不帶有分光設(shè)備，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多光譜成像，進(jìn)行有效的目標(biāo)識(shí)別。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)提出了一種可以晝夜工作的短波紅外遠(yuǎn)距離多光譜成像儀器。如附圖1所示，系統(tǒng)包括短波紅外鏡頭、濾光片輪、探測(cè)器組件、探測(cè)器驅(qū)動(dòng)與信息獲取電路、濾光片輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主控系統(tǒng)、大功率可調(diào)諧激光器、圖像存儲(chǔ)器、通信接口以及遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。本儀器的分光元件所述的濾光片輪置于短波紅外鏡頭與探測(cè)器組件之間，通過(guò)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)不同譜段間的切換，輪上攜帶4-8個(gè)帶通濾光片，具體個(gè)數(shù)由多光譜的應(yīng)用需求決定，濾光片的通帶波段分布在O. 9 μ πΓ2. 5 μ m之間需要成像的波段，濾光片輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)，它帶動(dòng)濾光片轉(zhuǎn)動(dòng)，切換波段，電機(jī)配以驅(qū)動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)電路，并根據(jù)需要配置霍爾器件或旋轉(zhuǎn)變壓器作為電機(jī)定位裝置；所述探測(cè)器驅(qū)動(dòng)與信息獲取電路包括偏壓供給、探測(cè)器驅(qū)動(dòng)、模擬信號(hào)采集以及A/D轉(zhuǎn)換，探測(cè)器驅(qū)動(dòng)時(shí)序以及A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)采集由CPLD或FPGA邏輯芯片完成；所述主控系統(tǒng)是本儀器的主要邏輯控制部分，采用單片機(jī)、DSP或FPGA邏輯控制芯片，它的主要職能包括配置探測(cè)器工作參數(shù)，接收并轉(zhuǎn)發(fā)圖像數(shù)據(jù)，控制濾光片輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，配置大功率可調(diào)諧激光器工作參數(shù)，與通信接口交換命令和數(shù)據(jù)；所述大功率可調(diào)諧激光器其發(fā)光波長(zhǎng)在整個(gè)成像譜段可調(diào)，同時(shí)照明光波長(zhǎng)應(yīng)避開(kāi)大氣吸收峰，照明發(fā)散角與成像視場(chǎng)角相同；用于儀器內(nèi)部圖像存儲(chǔ)的所述圖像存儲(chǔ)器為高速大容量RAM ；所述通信接口負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)指令以及儀器狀態(tài)信息和圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)需求選擇有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)接口，通信協(xié)議采用RS422 ；儀器白天成像時(shí)，目標(biāo)反射太陽(yáng)光產(chǎn)生光信號(hào)；夜間成像時(shí)，大功率可調(diào)諧激光器發(fā)出照明光，經(jīng)目標(biāo)反射后，產(chǎn)生目標(biāo)光信號(hào)；光信號(hào)進(jìn)入儀器短波紅外鏡頭，鏡頭與探測(cè)器之間置有濾光片輪，光信號(hào)經(jīng)過(guò)輪上某濾光片濾光后，進(jìn)入探測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換，電信號(hào)經(jīng)過(guò)信息獲取電路以及主控系統(tǒng)后，存于圖像存儲(chǔ)器，最后圖像數(shù)據(jù)經(jīng)主控系統(tǒng)及通信接 口送入遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。白天成像時(shí)太陽(yáng)光能量強(qiáng)，信噪比可以保證。而夜晚成像依賴(lài)激光照明成像，信號(hào)相對(duì)較弱。因此大功率可調(diào)諧激光器只有具備上述條件才能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離多光譜成像，可以采用Nd = YAG激光器配合OPO實(shí)現(xiàn)。假設(shè)出射激光單次脈沖能量200mJ，觀(guān)測(cè)波長(zhǎng)2.1 μ m，激光發(fā)散角等于視場(chǎng)角，為50mrad，瞬時(shí)視場(chǎng)角O.1mrad,目標(biāo)反照率O. 3，量子效率O. 7，探測(cè)器等效噪聲50e-，觀(guān)測(cè)距離5km。經(jīng)大氣特性分析及理論計(jì)算，若不考慮夜空輝光，則單幅圖像信噪比約為36左右。實(shí)際上，夜空輝光雖然與激光照明相比十分微弱，但短波紅外波段的夜空輝光能量遠(yuǎn)大于其他波段，因此實(shí)際信噪比會(huì)更高。系統(tǒng)白天成像方法步驟如下I)、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)下達(dá)指令，主控系統(tǒng)根據(jù)指令配置探測(cè)器工作參數(shù)；2)、探測(cè)器組件完成初始配置，如需制冷則先完成制冷；3)、主控系統(tǒng)控制濾光片輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，將濾光片輪復(fù)位，此時(shí)起始波段對(duì)應(yīng)的濾光片位于鏡頭與探測(cè)器之間；4)、主控系統(tǒng)下達(dá)拍攝命令，探測(cè)器拍攝一幀圖像，主控系統(tǒng)從探測(cè)器驅(qū)動(dòng)與信息獲取電路接收起始波段的圖像信號(hào)，存于圖像存儲(chǔ)器中；5)、根據(jù)下一個(gè)成像波段更改探測(cè)器組件配置參數(shù)；6)、主控系統(tǒng)控制濾光片輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，將濾光片輪切換到下一個(gè)波段；7)、主控系統(tǒng)下達(dá)拍攝命令，探測(cè)器拍攝一幀圖像，主控系統(tǒng)從探測(cè)器驅(qū)動(dòng)與信息獲取電路接收該波段的圖像信號(hào)，存于圖像存儲(chǔ)器中；8)、重復(fù)步驟5)、步驟6)和步驟7)三步，直至所有波段成像完畢；9)、主控系統(tǒng)通過(guò)通信接口向遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)發(fā)送狀態(tài)信息及圖像數(shù)據(jù)；系統(tǒng)夜間成像方法步驟如下I)、執(zhí)行白天成像方法步驟I)至步驟3)；2)、主控系統(tǒng)通過(guò)激光器控制接口，配置大功率可調(diào)諧激光器的發(fā)光波段為觀(guān)測(cè)起始波段；3)、主控系統(tǒng)下達(dá)拍攝命令，探測(cè)器開(kāi)始積分；4)、探測(cè)器開(kāi)始積分后，主控系統(tǒng)通過(guò)激光器控制接口，控制大功率可調(diào)諧激光器發(fā)出脈沖激光；5)、主控系統(tǒng)從探測(cè)器驅(qū)動(dòng)與信息獲取電路接收起始波段的圖像信號(hào)，存于圖像存儲(chǔ)器中；6)、根據(jù)下一個(gè)成像波段更改探測(cè)器組件配置參數(shù)；7)、主控系統(tǒng)控制濾光片輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，將濾光片輪切換到下一個(gè)波段；8)、主控系統(tǒng)通過(guò)激光器控制接口，配置大功率可調(diào)諧激光器的發(fā)光波段至下一個(gè)波段；9)、主控系統(tǒng)下達(dá)拍攝命令，探測(cè)器開(kāi)始積分；10)、探測(cè)器開(kāi)始積分后，主控系統(tǒng)通過(guò)激光器控制接口，控制大功率可調(diào)諧激光器發(fā)出脈沖激光；11)、主控系統(tǒng)從探測(cè)器驅(qū)動(dòng)與信息獲取電路接收該波段的圖像信號(hào)，存于圖像存 儲(chǔ)器中；12)、重復(fù)步驟6)至步驟11)，直至所有波段成像完畢；13)、主控系統(tǒng)通過(guò)通信接口向遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)發(fā)送狀態(tài)信息及圖像數(shù)據(jù)。本專(zhuān)利技術(shù)適于穩(wěn)定平臺(tái)的長(zhǎng)期晝夜連續(xù)區(qū)域監(jiān)控，而且夜間短波紅外激光不能被人眼所見(jiàn)，因此儀器有一定隱蔽性。采用大功率激光進(jìn)行照明，可以充分發(fā)揮短波紅外波段的大氣透過(guò)特性。短波紅外光大氣透過(guò)率高，無(wú)論是照明光還是信號(hào)光的衰減都相對(duì)較小，因此夜間可以實(shí)現(xiàn)很遠(yuǎn)的觀(guān)測(cè)距離。如加裝激光測(cè)距模塊還可以實(shí)現(xiàn)測(cè)距成像。本專(zhuān)利技術(shù)適于置于高塔、樓頂?shù)雀咛帲浜隙S云臺(tái)或指向鏡進(jìn)行多方位監(jiān)控，也適于搭載飛艇進(jìn)行區(qū)域監(jiān)視。晝夜多光譜觀(guān)測(cè)可以獲得監(jiān)控區(qū)域目標(biāo)的光譜信息，及時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。附圖說(shuō)明附圖1為本專(zhuān)利技術(shù)的總框圖。附圖2為本專(zhuān)利技術(shù)所列實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖)。具體實(shí)施例方式根據(jù)
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
，本實(shí)施例構(gòu)建了一臺(tái)短波紅外晝夜遠(yuǎn)距離多光譜成像儀，其結(jié)構(gòu)示意圖如附圖2所示。按照本專(zhuān)利技術(shù)附圖1展示的系統(tǒng)框圖，儀器包括短波紅外鏡頭根據(jù)觀(guān)測(cè)距離和分辨率確定鏡頭口徑和焦距等參數(shù)。本實(shí)施例采用意大利 OPTEC 公司的 0B-SWIR300/3. 5，焦距 300mm，F(xiàn) 數(shù) 3. 5。濾光片輪根據(jù)光譜觀(guān)測(cè)需求選擇波段數(shù)，輪周濾光片孔位根據(jù)濾光片大小確定。本實(shí)施例采用SPECTR0G0N本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種短波紅外晝夜遠(yuǎn)距離多光譜成像儀，包括短波紅外鏡頭、濾光片輪、探測(cè)器組件、探測(cè)器驅(qū)動(dòng)與信息獲取電路、濾光片輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主控系統(tǒng)、大功率可調(diào)諧激光器、圖像存儲(chǔ)器、通信接口以及遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，其特征在于：本儀器的分光元件所述的濾光片輪置于短波紅外鏡頭與探測(cè)器組件之間，通過(guò)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)不同譜段間的切換，輪上攜帶4?8個(gè)帶通濾光片，具體個(gè)數(shù)由多光譜的應(yīng)用需求決定，濾光片的通帶波段分布在0.9μm~2.5μm之間需要成像的波段，濾光片輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)，它帶動(dòng)濾光片轉(zhuǎn)動(dòng)，切換波段，電機(jī)配以驅(qū)動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)電路，并根據(jù)需要配置霍爾器件或旋轉(zhuǎn)變壓器作為電機(jī)定位裝置；所述探測(cè)器驅(qū)動(dòng)與信息獲取電路包括偏壓供給、探測(cè)器驅(qū)動(dòng)、模擬信號(hào)采集以及A/D轉(zhuǎn)換，探測(cè)器驅(qū)動(dòng)時(shí)序以及A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)采集由CPLD或FPGA邏輯芯片完成；所述主控系統(tǒng)是本儀器的主要邏輯控制部分，采用單片機(jī)、DSP或FPGA邏輯控制芯片，它的主要職能包括配置探測(cè)器工作參數(shù)，接收并轉(zhuǎn)發(fā)圖像數(shù)據(jù)，控制濾光片輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，配置大功率可調(diào)諧激光器工作參數(shù)，與通信接口交換命令和數(shù)據(jù)；所述大功率可調(diào)諧激光器其發(fā)光波長(zhǎng)在整個(gè)成像譜段可調(diào)，同時(shí)照明光波長(zhǎng)應(yīng)避開(kāi)大氣吸收峰，照明發(fā)散角與成像視場(chǎng)角相同；用于儀器內(nèi)部圖像存儲(chǔ)的所述圖像存儲(chǔ)器為高速大容量RAM；所述通信接口負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)指令以及儀器狀態(tài)信息和圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)需求選擇有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)接口，通信協(xié)議采用RS422；儀器白天成像時(shí)，目標(biāo)反射太陽(yáng)光產(chǎn)生光信號(hào)；夜間成像時(shí)，大功率可調(diào) 諧激光器發(fā)出照明光，經(jīng)目標(biāo)反射后，產(chǎn)生目標(biāo)光信號(hào)；光信號(hào)進(jìn)入儀器短波紅外鏡頭，鏡頭與探測(cè)器之間置有濾光片輪，光信號(hào)經(jīng)過(guò)輪上某濾光片濾光后，進(jìn)入探測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換，電信號(hào)經(jīng)過(guò)信息獲取電路以及主控系統(tǒng)后，存于圖像存儲(chǔ)器，最后圖像數(shù)據(jù)經(jīng)主控系統(tǒng)及通信接口送入遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。...

【技術(shù)特征摘要】

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：郎均慰，王躍明，肖喜中，鮑智康，王晟瑋，莊曉瓊，陳楊，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：