[发明专利]水下空间三维光谱成像仪及成像方法

权利要求书

1.一种水下空间三维光谱成像仪，其特征在于，包括前端永磁铁(1)、底座(2)、密封舱(3)、成像光谱仪镜头(4)、成像光谱仪(5)、后端永磁铁(6)、电磁铁(7)、支架(8)、水体衰减系数测量仪(10)、控制单元(11)；其中，所述底座(2)上开有滑槽，所述滑槽的前端安装有前端永磁铁(1)，所述滑槽的后端安装有后端永磁铁(6)；所述前端永磁铁(1)和后端永磁铁(6)的磁极相反；所述支架(8)安装在底座(2)的滑槽上，沿滑槽滑动；所述支架(8)内装有电磁铁(7)；所述密封舱(3)安装于支架(8)上方，所述密封舱(3)上开有用于安装玻璃的玻璃窗口；所述成像光谱仪(5)和控制单元(11)均安装在密封舱(3)内；所述水体衰减系数测量仪(10)固定于密封舱(3)外侧，用于测量水体的衰减系数；所述成像光谱仪镜头(4)安装在成像光谱仪(5)上，所述成像光谱仪镜头(4)透过玻璃窗口采集水下光谱图像；所述成像光谱仪(5)、电磁铁(7)和水体衰减系数测量仪(10)均与控制单元(11)相连。

2.根据权利要求1所述的水下空间三维光谱成像仪，其特征在于，还包括数据输出接口(9)；所述数据输出接口(9)安装在密封舱(3)壳体上，数据输出接口(9)与控制单元(11)相连。

3.根据权利要求2所述的水下空间三维光谱成像仪，其特征在于，所述控制单元(11)包括电源、控制模块、数据处理模块和数据存储模块；所述电源为水下空间三维光谱成像仪提供工作电压；所述成像光谱仪(5)、水体衰减系数测量仪(10)、控制模块和数据存储模块均与数据处理模块相连；所述数据存储模块与数据输出接口(9)相连。

4.一种利用权利要求3所述的水下空间三维光谱成像仪的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)水体衰减系数测量仪(10)测量水体的光谱衰减系数α(λ_k)(k∈(1,n))，λ_k为k波段的中心波长，k为正整数，n为波段数；

(2)控制模块控制电源中电流的方向使电磁铁(7)的磁极朝向与前端永磁铁(1)相反，则成像光谱仪(5)移动到底座(2)的前端，拍摄滑槽靠前位置时的光谱图像；改变电磁铁(7)中电流流向，则成像光谱仪(5)移动到底座(2)的后端，拍摄滑槽靠后位置时的光谱图像；

(3)使用SIFT算法对步骤(2)所采集的两组光谱图像作位置匹配；

(4)根据步骤(1)所得的光谱衰减系数和步骤(3)所得的位置匹配后的光谱图像，计算每个像素点对应位置与成像光谱仪(5)之间的距离；记某一点(x，y)在底座前端的光谱响应为I_f(x,y,λ_k)(k∈(1,n))，后端的光谱响应为I_b(x,y,λ_k)(k∈(1,n))，计算点(x，y)与成像光谱仪(5)之间的距离D(x,y)，获得空间三维信息；计算公式如下：

D(x,y)=-(α(λ1)α(λ2)...α(λn)Tα(λ1)α(λ2)...α(λn))-1(α(λ1)α(λ2)...α(λn)TlnIb(x,y,λ1)If(x,y,λ1)exp(-α(λ1)L0)lnIb(x,y,λ2)If(x,y,λ2)exp(-α(λ2)L0)...lnIb(x,y,λn)If(x,y,λn)exp(-α(λn)L0))]]>

其中，λ₁，λ₂，…，λ_n为波长，L₀为前后两个成像位置之间的距离；

(5)根据步骤4计算所得的距离D(x,y)，补偿水体对光谱的衰减，获得水下物体的真实光谱，计算公式如下：

Ic(x,y,λ1)=If(x,y,λ1)exp(-α(λ1)D(x,y))Ic(x,y,λ2)=If(x,y,λ2)exp(-α(λ2)D(x,y))...Ic(x,y,λn)=If(x,y,λn)exp(-α(λn)D(x,y))]]>

其中，I_c(x,y,λ_k)(k∈(1,n))为点(x,y)在λ_k波段经补偿后的光谱强度；

(6)将步骤4得到的空间三维信息与步骤5得到的真实光谱信息进行匹配，获取三维空间光谱信息I_c(x,y,D,λ_n)。