[实用新型]一种镜头扫描模式高光谱成像系统及旋翼无人机

说明书

技术领域

本实用新型属于旋翼无人机高光谱成像技术领域，具体涉及一种镜头扫描模式高光谱成像系统及旋翼无人机。

背景技术

高光谱技术是一门新兴的交叉学科，建立在传感器、计算机等技术的基础上，涉及到电磁波理论、光谱学与色度学、物理/几何光学等多门学科。电磁波理论则是遥感技术的物理基础，电磁波与地表物质的相互作用机理、电磁波在不同介质中的传输模型和对其进行接收、分析是综合各门学科和技术的核心所在。针对不同地物的不同光谱特征,利用高光谱图像可有效地区分和识别地物,因而被广泛地应用于大气探测、医学诊断、物质分类和目标识别、国土资源、生态、环境监测和城市遥感中。高光谱遥感指的是具有高光谱分辨率的遥感科学和技术，成像光谱技术所使用的成像光谱仪能在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和短波红外区域，获取许多非常窄且光谱连续的图像数据。成像光谱仪为每一个像元提供数十至数百个窄波段的光谱信息，由此而构成一条完整而且连续的光谱曲线。

成像光谱仪的工作原理是，被测物体通过镜头后被面阵列探测器捕获，得到一个一维的影像以及相应的光谱信息，而当电控移动平台(或传送带)带动样品连续运行时，则能够得到样品目标物的连续的一维影像以及实时的光谱信息，或者是当扫描转镜在转动的时候，同样也能够得到目标物的连续的一维影像。而在此过程中所有的数据会被计算机软件所记录，最终获得一个包含了影像信息和光谱信息的三维数据立方体。

高光谱成像系统是将成像光谱仪和面阵列探测器完整的结合在一起的系统。成像系统每次只成目标上一条线的像，成像光谱仪对进入狭缝的入射光进行分光，分光使每个光谱成分对应面阵列探测器线阵上的一个像素点。因此，每一幅来自面阵列探测器的图像结构包括一个维度(空间轴)上的线阵像素和在另一个维度(光谱轴)上的光谱分布(光在光谱元素的强度)。而要将目标对象所有的像都呈现在面阵列探测器上，需要目标物和成像系统之间有一个相对的运动。这样，通过平移机构带动样品的运动或者通过扫描转镜的转动则可获取目标物的三维高光谱数据立方体。

高光谱成像系统的扫描模式主要有狭缝扫描模式和转镜扫描模式。狭缝扫描模式下，成像光谱仪和面阵列探测器组合后固定在二维平移扫描机构上，成像镜头单独固定在封装外壳上，狭缝扫描模式每次只能够呈现目标对象上的一条线，通过在平移机构带动下运动的光谱成像仪和面阵列探测器与成像镜头之间产生相对运动来完成图像的拼接。转镜扫描模式下，成像镜头、成像光谱仪和面阵列探测器完整的结合在一起，固定在系统内，三者之间无任何相对运动。转镜扫描模式每次也都只能够呈现目标对象上的一条线，通过在成像镜头前方设计一个扫描转镜，入射光束经转镜偏转后进入镜头，再通过成像光谱仪分光，最后将被测物体的像呈在面阵列探测器上。

目前，利用无人机进行高光谱图像采集的方式中，使用的是固定翼飞行器挂载成像仪设备，将飞行器的飞行作为系统平移机构，当飞行器不能够保证足够的平稳，采集的图像就会发生变形，因此，通常需要在惯导系统，图像修正，飞行姿态修正，图像拼接，飞行速度方面做大量的工作，技术难度非常大，对于特定行业应用非常的复杂。而利用旋翼飞行器作为成像设备的载物台，通过无线传输对旋翼飞行器飞行姿态进行远程控制，使旋翼无人机飞、停至指定区域位置后再进行高光谱图像采集。

将狭缝扫描模式的成像系统搭载于旋翼无人机上时，二维平移机构会带动成像光谱仪和面阵列探测器在其中的一维空间上运动(运动扫描维度上)，这样，整个搭载于旋翼无人机上的成像系统在随着扫描机构运行的过程中，其重心位置会发生偏移。在旋翼无人机起飞之前，成像系统是在没有运行的情况下与三轴无刷云台完成重心调试的。在空中进行数据采集时，成像光谱仪的重心会发生偏移，导致采集到的图像出现畸变。

将转镜扫描模式的成像系统搭载于旋翼无人机上时，该模式虽然能够避免由于无人机的飞行不稳定(气流、风等环境影响)以及系统重心发生偏移后带来的晃动(狭缝扫描模式时，随着扫描过程的进行，系统的重心会发生偏移)等因素对图像产生的影响，但是转镜以中小轴为圆心做圆周运动，转镜映射到不同距离的目标物体所表现出来的线速度是不一样的，图像采集的起始端和末端所对应的转镜的扫面线速度较大，图像采集中间部分所对应的转镜扫描线速度较小，这种速度的不一致性同样会导致图像发生畸变。

因此，急需提供一种新的可解决图像畸变问题的高光谱成像系统。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：针对上述现有高光谱成像系统所具有的图像畸变的问题，本实用新型提供一种镜头扫描模式高光谱成像系统及旋翼无人机，适于在高空及较大拍摄范围的环境下使用。