通用型便携式地物光谱成像仪制造技术

本专利公开了一种通用型便携式地物光谱成像仪，它包括光谱分析模块、数据采集与处理模块、软件控制模块、安装基座。光谱分析模块采用视场光阑与探测器共轭成像的光学设计，以及通用型标准接口设计，实现成像镜头可切换的精细光谱成像探测；数据采集与处理模块通过多射频复合声光可调驱动技术实现可编程光谱选择，获取目标图像和光谱数据；对软件控制模块进行配置，实现光谱和图像数据实时处理与分析；光机构型采用折转设计，实现仪器紧凑、轻小型。采用本专利实施的仪器，在具备高性能精细光谱成像分析功能的同时，满足体积、重量及多种类环境、功能的特殊要求，适应多应用领域的光谱探测及应用。

【技术实现步骤摘要】

：本专利涉及一种地物光谱成像仪，特别指便携式，成像镜头可切换的通用型地物光谱成像设备。该仪器通过视场光阑与面阵探测器的物像共轭完善成像，声光可调凝视光谱可编程选择，通用标准接口切换光学成像镜头的技术途径，达到轻小型、便携式的应用目的，特别适合多种类环境、功能要求下的精细光谱成像分析及处理应用。
技术介绍
：形态测量和光谱测量是研究地物结构和成份的主要方法，其基于不同地物目标的光谱特征，以及微粒的尺寸和形状各不相同。成像光谱仪能在获取所观测目标二维空间信息的同时，以高光谱分辨率获取目标像素的光谱信息，在光谱图像立方体上有可能直接区分和识别目标，在土地资源调查、农林业、环境与灾害监测、海洋、数字城市等国民经济方面和伪装识别、作战环境侦察等军事应用方面均有重要应用价值。图像能提供地面目标精细的几何特性，而光谱提供目标的光谱信息，能通过对地物几何及特征光谱的判别进行目标识别和分类。成像光谱技术起源于上世纪70年代初期的多光谱遥感技术，并随着对地观测应用的需要而发展，成像光谱仪是一种在成像光谱技术基础上发展起来的新概念光学有效载荷。随着光学、计算机和焦平面探测器等基础技术的不断发展，成像光谱技术在九十年代取得了巨大进步。成像光谱仪器的研制及应用，最终目标是实现对地物目标的几何及光谱特征的测量，与遥感相机或光谱仪相比，在目标识别方面具有更强的能力。在过去三十年里，成像光谱技术获得巨大的发展，在矿产资源、环境监测、精准农林和军事国防等方面发挥了重要的作用，但是，成像光谱仪技术的进一步发展，不断适应了应用部门对精细遥感数据的需求。但是，成像光谱仪的进一步广泛应用，存在以下几方面的局限性：1)空间分辨率与不同应用需求矛盾，数据的空间分辨率选择及可控性不强，特别是不适应便携式地物图像及谱图获取应用对图像及光谱的需求；2)仪器体积及重量不断增加，相对于便携式地物探测应用矛盾突出。
技术实现思路
：本专利提供一种通用型便携式地物光谱成像仪，在实现精细光谱分析的同时，满足体积、重量及多种类环境、应用的要求。本专利主要特点为：1)通过视场光阑与面阵探测器的物像共轭完善成像，减小光学镜头互换时对成像质量的影响；2)采用多射频复合声光可调驱动技术实现光谱可编程选择，获取目标图像及光谱数据；3)采用光路折转的光机构型设计，进一步实现紧凑、轻小；4)采用通用标准接口，实现光学成像镜头的灵活切换；5)采用FPGA结合上位机的软件控制，实现数据获取及分析处理。本专利提供的通用型便携式地物光谱成像仪包括光谱分析模块1、数据采集与处理模块2、软件控制模块3、安装基座4，如附图1及附图2所示。所述的光谱分析模块1由成像镜头11、标准接口10、视场光阑12、准直镜13、格兰棱镜一14、声光可调滤光器AOTF15、格兰棱镜二16、会聚镜17、像面折转反射镜18、面阵探测器19组成。其中：光谱分析模块1中的视场光阑12与面阵探测器19成物像共轭完善成像关系，减小成像镜头11的互换对成像质量的影响；多通道声光可调滤光器(AOTF)15通过数据采集与处理模块2中的射频匹配电路实现宽谱段的时间扫描凝视精细光谱成像探测；采用像面折转反射镜18实现光路折转构型，实现紧凑型及轻小型；采用通用的标准接口10，实现光学成像镜头的灵活切换。所述的软件控制模块3由图像与光谱实时显示模块、光谱仪控制模块、射频驱动控制、CCD控制、配置参数设置组成。其中：图像与光谱实时显示模块和光谱仪控制模块通过软件界面人机交互完成对射频驱动控制、CCD控制、配置参数设置的操作；射频驱动控制通过串口通信协议实现射频驱动板指令发送，完成单频输出和扫描输出的选择；CCD控制通过TCP通信协议实现CCD相机指令发送，完成单帧捕获和视频捕获的选择；配置参数设置通过本地文件实现光谱仪配置的控制，完成通信端口、光谱频率表等设置。所述的数据采集与处理模块2根据软件控制模块3的指令实现对光谱分析模块1的控制，按要求进行光谱选择，在宽谱段范围内采集图像及光谱信号，回传至软件控制模块3存储及处理。光谱成像仪光电探测原理为：探测目标反射的光辐射，首先经成像镜头11将光辐射成像于视场光阑12上，由准直镜13准直，通过格兰棱镜一14起偏为线偏振光，然后由AOTF15实现程控射频驱动选择衍射光波长，被格兰棱镜二16检偏过滤0级光，再由会聚镜17会聚，经像面折转反射镜18会聚至探测器19上，实现光谱图像探测。光谱成像仪具体工作步骤如下：1)加电待机，此时数据采集与处理模块2待命工作；2)工作模式设计及参数计算；3)通过软件控制模块3，人机交互完成通信端口、光谱频率表等工作参数的设置，射频驱动控制、CCD控制等相应功能的选择；4)发送工作指令；数据采集与处理模块2接收并解译指令；5)光谱分析模块1按指令要求工作，采集光谱图像数据；6)软件控制模块3按要求进行数据分析及处理；7)待机，等待下一步工作指令。本专利技术解决思路如下：利用通用标准接口，灵活切换不同焦距光学成像镜头，实现视场及空间分辨率按应用需求选择及变换；对视场光阑与面阵探测器进行物像共轭完善成像设计，减小光学镜头互换时对成像质量的影响；利用多射频复合声光可调驱动技术，实现较宽谱段范围的光谱可编程选择，灵活获取目标光谱图像数据；FPGA与上位机软件相结合，实现控制及数据分析处理；光路折转的光机构型设计，进一步实现紧凑、轻小。本专利的优点在于：1)光学视场、空间分辨率、成像光谱均可灵活选择探测。采用声光可调滤光器配以射频驱动组合，光路折转的光机构型设计实现紧凑及轻小型宽谱段光谱探测；利用多射频复合声光可调驱动技术，实现较宽谱段范围的光谱可编程选择。2)轻小、紧凑、使用便携。利用声光可调滤光器分析、结合光路折转的光机构型设计，实现轻小、紧凑；FPGA与上位机软件相结合，实现便携的控制及数据分析处理。该专利可以实现高性能就位精细光谱分析的同时满足体积、重量及多种类环境、功能的特殊要求，适应多应用领域的光谱探测及应用。附图说明：图1为本专利可编程精细光谱分析系统模型爆炸示意图，图中:1----为光谱分析模块；2----为数据采集与控制模块；4----为安装基座。图2为本专利中光谱分析模块1说明图。图3为本专利中软件控制模块3说明图。图4为本专利的工作流程说明图。图5为实施例光谱分析模块1光路说明图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通用型便携式地物光谱成像仪，它包括光谱分析模块(1)、数据采集与处理模块(2)、软件控制模块(3)、安装基座(4)，其特征在于：所述的光谱分析模块(1)由成像镜头(11)、标准接口(10)、视场光阑(12)、准直镜(13)、格兰棱镜一(14)、声光可调滤光器AOTF(15)、格兰棱镜二(16)、会聚镜(17)、像面折转反射镜(18)、面阵探测器(19)组成；标准接口(10)采用通用型标准接口设计方便不同焦距成像镜头(11)切换；视场光阑(12)与面阵探测器(19)采用物像共轭完善成像的光学设计，减小光学镜头切换时对成像质量的影响；所述的软件控制模块(3)由图像与光谱实时显示模块、光谱仪控制模块、射频驱动控制、CCD控制、配置参数设置组成，光谱仪控制模块依次接射频驱动控制和声光可调滤光器AOTF(15)；在上位机设定配置参数设置，经射频驱动控制产生可选择调制的射频信号，射频信号经数据采集与处理模块(2)驱动声光可调滤光器AOTF(15)按控制要求进行扫描分光；通过上位机软件配置参数设置可以实时控制和处理分析采集获取的光谱和图像数据；通过上位机指令由数据采集与处理模块(2)实现对光谱分析模块(1)的控制，使其按要求进行光谱选择获得宽谱段范围内的采集图像及光谱信号，回传至软件控制模块(3)存储及处理；光谱成像仪由通用标准接口(10)灵活切换不同焦距的光学成像镜头，实现光学视场及空间分辨率按应用需求选择及变换；数据采集与处理模块(2)使用FPGA结合上位机软件实现便携控制及数据分析处理，由软件控制模块(3)结合数据采集与处理模块(2)利用多射频复合声光可调驱动技术，实现较宽谱段范围的光谱可编程灵活选择。...

【技术特征摘要】
1.一种通用型便携式地物光谱成像仪，它包括光谱分析模块(1)、数据采集与处理模块(2)、软件控制模块(3)、安装基座(4)，其特征在于：
所述的光谱分析模块(1)由成像镜头(11)、标准接口(10)、视场光阑(12)、准直镜(13)、格兰棱镜一(14)、声光可调滤光器AOTF(15)、格兰棱镜二(16)、会聚镜(17)、像面折转反射镜(18)、面阵探测器(19)组成；标准接口(10)采用通用型标准接口设计方便不同焦距成像镜头(11)切换；视场光阑(12)与面阵探测器(19)采用物像共轭完善成像的光学设计，减小光学镜头切换时对成像质量的影响；
所述的软件控制模块(3)由图像与光谱实时显示模块、光谱仪控制模块、射频驱动控制、CCD控制、配置参数设置组成，光谱仪控制模块依次接射频驱动控制和声光可调滤光器AOTF(15...

【专利技术属性】
技术研发人员：何志平，陈爽，徐睿，徐映宇，袁立银，吕刚，卜宏毅，舒嵘，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：新型
国别省市：上海;31