[发明专利]一种适用于野外遥感的便携式地面高光谱成像光谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于野外遥感的便携式地面高光谱成像光谱仪，适用于野外作业时，地面对地的高光谱遥感探测，属于高光谱成像探测技术领域。

背景技术

目前，用于野外地面高光谱测量的成像仪大多为非成像型，分光元件以光栅为主，采用单点测量方式，比较著名的是美国分析光谱设备(ASD)公司的FieldSpec系列便携式高光谱光纤光谱仪，而传统的成像光谱仪大多采用推扫式或者摆扫式工作方式，分光原理主要为棱镜、光栅分光或者干涉分光型，这些分光原理的光谱仪需要运动部件，体积、功耗较大，不适合轻便、低功耗、便携的地面对地野外高光谱成像探测。不同于传统的推扫式和摆扫式光谱成像系统，AOTF(声光可调谐滤波器)光谱分光没有运动部件，波长切换时间短，波长的选择采用电控，属于轻量化、低功耗的成像高光谱分光元件，非常适合用于野外地面光谱测量。非成像方式的AOTF光谱系统在生物、医疗等领域已经有了较为成熟的应用，用于特定光谱的定性分析和检测。基于AOTF的光谱成像系统已有用于近距离光谱测量的实例，由于光强的透过率很大程度上受AOTF衍射效率的制约，加上图像传感器在不同波长范围的量子效率的不同，造成不同波段的光谱响应存在较大的不一致，在光谱分辨率较高的情况下影响尤为明显，当用于野外遥感测量时，由于受到外部环境的制约，在很大程度上影响数据的信噪比和动态范围，给后续的应用处理带来了较大的难度。结合AOTF本身特点，设计适合地面对地野外高光谱成像遥感探测的便携式仪器，具有重要的实用价值。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于野外遥感探测的便携式地面高光谱成像光谱仪，该仪器具有轻量化、操作简便、便携性好的特点，特有的优化积分时间方法和拍摄模式的分类，有效的补偿了仪器光谱响应的不一致。

本发明的技术解决方案是：一种适用于野外遥感探测的便携式地面高光谱成像光谱仪，其特征在于包括下列部分：包括定焦镜头、声光可调谐滤波器(Acousto-optic Tunable Filter，AOTF)成像模块、图像采集模块、电源模块、三脚架，

定焦镜头，用于远距离目标聚焦，通过标准F接口与AOTF成像模块连接；

AOTF成像模块，包括AOTF成像单元和AOTF驱动电路，AOTF驱动电路输出频率可调的功率信号通过SMA射频接口驱动AOTF成像单元，控制AOTF的分光波长，实现波长的可编程控制，控制信号由便携式计算机通过USB总线提供，AOTF成像单元由AOTF和用于光学成像的前置和后置光学系统组成，在驱动信号的作用下进行光谱分光；

图像采集模块，包括面阵图像传感器和便携式计算机，面阵图像传感器按照优化好的积分时间进行图像获取，并通过IEEE1394总线将图像数据传输至便携式计算机，便携式计算机根据所选的拍摄模式，采用优化积分时间的方法对各个波段的拍摄时间进行控制，并进行数据采集；

电源模块，由蓄电池组和多路稳压电路组成，与AOTF驱动电路和面阵图像传感器相连，为其提供所需的直流工作电压；

三脚架用来放置和固定AOTF成像模块和图像采集模块中的面阵图像传感器，同时用于仪器高度和姿态的调整。

本发明的原理是：根据拍摄场景的拍摄距离和视场范围，选择合适焦距的镜头，利用便携式计算机运行仪器系统软件对整个采集过程进行初始化，设置相关控制参数，包括面阵图像传感器的增益、偏置、量化位数、采集波段列表、显示和存储方式等；然后利用优化积分时间的方法计算出各波段所需的积分时间的最优值；便携式计算机运行仪器系统软件选择合适的拍摄模式，通过USB总线控制AOTF驱动电路对AOTF进行波长选择，AOTF驱动电路根据相应的控制字通过SMA接口发送相应频率的驱动信号至AOTF，当收到AOTF驱动电路反馈的“波长选择完成”信号后，通过IEEE1394总线控制面阵图像传感器进行数据采集，采集后的数据通过IEEE1394总线传输至便携式计算机；成像光谱数据伴随着仪器工作的采集参数记录和工作日志文件存储在便携式计算机硬盘上。

其中，所述的图像采集模块采用优化积分时间的方法对不同波段的积分时间分别进行优化控制，根据实际拍摄场景，现场优化积分时间，得到各个波段所需的最佳积分时间。

其中，根据拍摄环境和拍摄地物的差异，设置不同的拍摄模式，利用优化积分时间的方法得到不同模式下各波段所需的最佳积分时间，并将不同的拍摄模式对应的最佳积分时间以查找表的形式固化在仪器的系统软件中，实际野外作业时，选择合适的拍摄模式进行数据采集。