一种适配水下多种观测平台的自扫描式高光谱成像系统及使用方法技术方案

本发明专利技术涉及一种适配水下多种观测平台的自扫描式高光谱成像系统及使用方法，属于水下高光谱光学成像探测领域。系统包括远心水下望远成像单元、光谱成像单元及内置扫描单元，系统基于入射狭缝分光分光，采用内置扫描型设计，可根据应用需求及观测平台实际使用情况，选择推扫式成像方式或内置扫描成像方式，运动部件密封系统内部，具有良好的抗冲击能力，适于在水下观测平台使用。相比于其他常见的高光谱成像技术，具有显著突出的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种适配水下多种观测平台的自扫描式高光谱成像系统及使用方法
本专利技术涉及一种适配水下多种观测平台的自扫描式高光谱成像系统及使用方法，属于水下高光谱光学成像探测

技术介绍
光谱成像技术将空间成像技术和光谱技术相结合：获取远处场景目标在工作波段的与空间分布相应的反射或者吸收光谱，度量与物质成分相关的不同波长或频率的光波能量。能够实现同时获得二维空间图像信息和每个分辨像元的一维光谱信息，形成三维数据立方体。与之前的遥感技术相比较，高光谱遥感技术有许多独特优势，如：工作谱段范围宽、成像光谱分辨率高、系统空间分辨率高、相邻波段的相关性高、数据冗余大等。高光谱遥感技术利用地物自身辐射的光谱特性对目标进行监测、分析和反演，目前已经广泛应用于矿物勘测、农林业资源调查、环境监控以及城市规划等诸多领域。根据获取三维数据立方体的扫描方式可分为摆扫式、推扫式和凝视式。凝视式成像技术优点是原理简单，光学实现难度小；缺点是系统一次曝光只能获取一个谱段的信息，为获取多光谱或高光谱信息，只能在时间上多次曝光(分时形式，每次获取一个谱段信息)或在空间上用阵列(阵列的每个分系统探测一个谱段)来实现。无论分时形式或阵列形式，完成高光谱信息探测都将严重影响仪器的其他性能，且受器件原理的性能限制严重，难以同时实现大视场和大相对孔径。因此主要采用摆扫式和推扫式的扫描方式。摆扫式光谱成像系统采用线阵探测器，通过沿轨和穿轨两个方向扫描获取完整的二维空间信息，其中穿轨方向一般利用扫描镜实现。此种扫描方式在瞬时视场即可获得目标点的线阵光谱维信息，一般应用于机载平台，视场覆盖面积广，但曝光时间短，进入探测器的能量少，所以信噪比低。推扫式光谱成像系统采用的是面阵探测器，且探测器空间维方向垂直于移动方向扫描，获得空间中一维线视场的空间信息，并利用移动平台运动完成沿轨方向扫描实现二维空间信息的获取，同时线视场的光谱信息在面阵探测器的第二维获得。此种扫描方式相对于摆扫式在信噪比方面大幅提高，无需机械扫描。尽管航空、航天高光谱成像仪取得了较大的发展，应用也越来越广泛。但适用于水下复杂环境的高光谱成像系统极为缺乏，首先在系统难度上，摆扫式以及推扫式光谱成像系统需要利用外接扫描平台带动光谱成像系统运行。由于扫描平台比较笨重，移动平台在海洋复杂环境具有高度的动态性，包括来自水下浊度、湍流等各种环境干扰因素的复杂影响，给水下工作带来诸多不便。往往难以获得精确的光谱图像数据，尤其是高质量数据的获取，极为微小的干扰都会导致遥感反射光谱的变化。其次，摆扫型光谱成像系统需要相对目标进行大范围幅度的摆动，需要光机扫描镜在穿轨方向完成扫描，尤其是在水下近距离条件下，导致图像形变问题严重，所以平台整体运动速度不能太快，无法满足实际的应用需求。推扫式无需光机扫描，系统结构更简单，适用于运动速度更快的平台。推扫型高光谱成像仪通过平台移动获取目标的光谱图像数据，但高光谱推扫成像方式对于姿态和位置变化极为敏感，在成像过程中，由于观测平台运动和水下环境的影响，光谱图像前后帧之间位置差异大，几何矫正困难。这种误差会严重影响图像质量，有时候甚至造成了图像无法目视判读，严重影响了影像的正常应用。且受观测平台高度，相机本身参数的影响，单张高光谱影像所覆盖的区域面积不大，需要对多张影像进行拼接，才能有效地覆盖研究区域。表格1所示为几种水下高光谱成像技术形式。表格1不同水下高光谱成像技术形式推扫型摆扫型凝视型自扫描式光谱分辨率高低低高波段数高低低高光谱范围宽窄窄宽系统透过率高高低高体积中等大中等中等集成难度大大小小平台稳定性要求高高低低
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供适配水下多种观测平台的自扫描式高光谱成像系统及使用方法。可使用内置扫描部件代替观测平台，可实现悬停内置扫描成像与推扫式成像两种采集模式，采集模式可根据具体的应用需求及观测平台的能力来进行选择。本专利技术还提供上述成像系统的使用方法。本专利技术的技术方案如下：一种适配水下多种观测平台的自扫描式高光谱成像系统，包括远心水下望远成像单元、光谱成像单元、探测单元及内置扫描单元；所述远心水下望远成像单元与光谱成像单元通过入射狭缝相连，光谱成像单元将入射狭缝上远心水下望远成像单元所成的像分波长成像在光谱仪探测单元上；所述内置扫描单元用于带动远心水下望远成像单元在平面内进行二维移动。优选的，远心水下望远成像单元采用像方远心结构，为远心望远镜，远心望远镜为透射式系统，透镜的数量为N，8≤N≤12。进一步优选的，以双高斯结构为初始设计型式，系统分为前后两个透镜组，每个透镜组包括4-6个透镜，两个透镜组基本对称，正负元件搭配合理，对初始系统进行复杂化，通过分裂透镜元件、在元件之间加入空气间隔，减小系统的高级球差，改善离轴像差。进一步优选的，透镜采用高折射率、低色散的H-ZF52或H-ZF4A新型光学玻璃、用来校正系统像差。远心水下望远成像单元在设计之时考虑了物方水介质的影响，控制水下成像系统的光学像差并加以校正，最终可实现海底表面0.8m-1.2m距离的良好成像效果，满足水下平台普遍的观测距离。优选的，所述光谱成像单元采用直筒式光学结构，利于水下密封，光谱成像单元包括入射狭缝、准直镜、分光模块、成像镜，准直镜和成像镜均为透射式系统，准直镜和成像镜的透镜的数量均为N，4≤N≤6；分光模块采用棱镜和光栅混合分光模式，中心视场入射主光线与出射主光线平行，保证光谱成像单元的直筒式光学结构。进一步优选的，准直镜和成像镜采用对称式设计，准直镜为成像镜的倒置形式，光阑置于光栅面。完全相同的结构参数，简化设计难度，节约成本。进一步优选的，选择四片式匹兹万物镜作为成像镜的初始结构，通过在像面附近处增加一组负透镜，一组为1-2个，使匹兹万场曲得到很好的校正，同时可用来平衡整个物镜的畸变。提高成像质量，进一步校正谱线弯曲。进一步优选的，分光模块包括石英三角棱镜和体相位全息布拉格衍射光栅，石英三角棱镜对称分布于体相位全息布拉格衍射光栅两侧，棱镜角度ф，10°≤ф≤30°，且石英三角棱镜靠近光栅的面与光栅平面平行。分光模块结合了光栅和棱镜在单独作为分光元件时色散方向的一致性和谱线弯曲的相反特性，在中心波长处可以实现光谱直进直出，两者光谱线的相反弯曲可以相互得到补偿。在中心波长处衍射效率接近100％，结构紧凑，加工装调容易。分光模块是由棱镜和光栅组合而成的，其工作原理本质上也是两者工作原理的组合，这样的组合方式，给了基于分光模块的高光谱成像系统很大本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适配水下多种观测平台的自扫描式高光谱成像系统，其特征在于，包括远心水下望远成像单元、光谱成像单元、探测单元及内置扫描单元；所述远心水下望远成像单元与光谱成像单元通过入射狭缝相连，光谱成像单元将入射狭缝上远心水下望远成像单元所成的像分波长成像在光谱仪探测单元上；所述内置扫描单元用于带动远心水下望远成像单元在平面内进行二维移动。/n

【技术特征摘要】
1.一种适配水下多种观测平台的自扫描式高光谱成像系统，其特征在于，包括远心水下望远成像单元、光谱成像单元、探测单元及内置扫描单元；所述远心水下望远成像单元与光谱成像单元通过入射狭缝相连，光谱成像单元将入射狭缝上远心水下望远成像单元所成的像分波长成像在光谱仪探测单元上；所述内置扫描单元用于带动远心水下望远成像单元在平面内进行二维移动。


2.根据权利要求1所述的适配水下多种观测平台的自扫描式高光谱成像系统，其特征在于，远心水下望远成像单元采用像方远心结构，为远心望远镜，远心望远镜为透射式系统，透镜的数量为N，8≤N≤12；
优选的，以双高斯结构为初始设计型式，系统分为前后两个透镜组，每个透镜组包括4-6个透镜，两个透镜组对称；
进一步优选的，透镜采用H-ZF52或H-ZF4A新型光学玻璃。


3.根据权利要求1所述的适配水下多种观测平台的自扫描式高光谱成像系统，其特征在于，所述光谱成像单元，光谱成像单元包括入射狭缝、准直镜、分光模块、成像镜，准直镜和成像镜均为透射式系统，准直镜和成像镜的透镜的数量均为N，4≤N≤6；分光模块采用棱镜和光栅混合分光模式，中心视场入射主光线与出射主光线平行。


4.根据权利要求3所述的适配水下多种观测平台的自扫描式高光谱成像系统，其特征在于，准直镜和成像镜采用对称式设计，准直镜为成像镜的倒置形式，光阑置于光栅面。


5.根据权利要求3所述的适配水下多种观测平台的自扫描式高光谱成像系统，其特征在于，选择四片式匹兹万物镜作为成像镜的初始结构，在像面处增加一组负透镜，一组为1-2个。


6.根据权利要求3所述的适配水下多种观测平台的自扫描式高光谱成像系统，其特征在于，分光模块包括石英三角棱镜和体相位全息布拉格衍射光栅，石英三角棱镜对称分布于体相位全...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛庆生，杨柏，王福鹏，李千，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东;37