本發(fā)明屬于光學技術領域，涉及一種光譜成像裝置與方法，尤其涉及一種高精度視場匹配立體光譜成像探測裝置及其探測方法。

背景技術：

光譜成像技術不僅可以獲得地物目標的兩維空間信息，還能獲得目標的光譜信息，是一種圖譜合一的探測技術，立體光譜成像技術是三維成像技術，光譜成像技術的綜合應用技術。立體光譜成像技術不僅探測目標的三維空間信息，還可以獲得目標的光譜信息，是一種多維信息獲取技術。立體光譜成像技術獲得光譜信息和三維空間信息更夠更好的表述地物的大小、位置，為地物目標的識別、準確定位提供一種有效探測手段。立體光譜成像技術一般采用多種儀器綜合獲取光譜信息、三維空間信息，儀器之間的視場難以配準融合，為后期的圖像處理帶來困難，因此研制一種高精度視場匹配的立體光譜成像系統(tǒng)具有重要意義。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決背景技術中所存在的技術問題，本發(fā)明提供了一種立體光譜成像裝置與方法，用于探測地物目標的高精度三維空間信息和光譜信息。

該裝置搭載在一維運動平臺上使用，三線陣立體成像光譜儀沿著平臺運動方向進行推掃，直接獲得觀測目標的高精度圖像信息、高精度光譜信息，利用空間前方交會原理計算得到觀測目標的低精度高程信息；全波形激光雷達利用激光測距原理可以獲得觀測目標的高精度高程信息，但受到激光功耗限制無法應用激光陣列，空間分辨率不高。

本發(fā)明的技術解決方案是提供一種高精度視場匹配的主被動立體光譜成像裝置，其特殊之處在于：

包括一個前置鏡組、光路折返及分束組件、三線陣立體成像光譜儀組件和全波形激光雷達組件；

為了保證前后視成像光譜儀構成的前方交會測量系統(tǒng)具有較大的基線高度比，上述前置鏡組為大視場高透過率雙高斯鏡組，大視場為沿推掃方向的大視場，以基高比不小于0.4計算，得到沿推掃視場優(yōu)于24度；

上述三線陣立體成像光譜儀組件包括前視成像光譜儀、中視成像光譜儀與后視光譜成像儀；上述前視成像光譜儀、中視成像光譜儀、后視光譜成像儀可以為任何類型的帶狹縫的線視場成像光譜儀，包括色散型、干涉型成像光譜儀；前視成像光譜儀、中視成像光譜儀與后視光譜成像儀的視場具有一定夾角，該夾角約等于前置鏡組沿推掃方向的視場角的二分之一；

上述的光路折返及分束組件，包括兩個反射鏡和一個分束器；上述反射鏡實現(xiàn)前置鏡輸出光路的折返，為前視光譜成像儀和后視光譜成像儀其它鏡組及探測器提供足夠的安裝空間；

上述全波形激光雷達組件包括激光發(fā)射系統(tǒng)與激光接收系統(tǒng)；

上述中視成像光譜儀與全波形激光雷達共視場；全波形激光雷達的探測器單元和中視成像光譜儀的線陣地面像元為一對多對應關系；即一個全波形激光雷達的探測器單元的視場對應中視光譜儀上若干個地面像元的組合視場；

激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射激光脈沖并觸發(fā)前視成像光譜儀、中視成像光譜儀、后視成像光譜儀曝光，同時觸發(fā)激光回波接收系統(tǒng)接收激光回波信號；

寬譜段光源經(jīng)過前置鏡組分成三束光，前方視場入射光束經(jīng)過反射鏡折返后進入到前視成像光譜儀，前視成像光譜儀獲取前方線形視場的圖譜信號；后方視場入射光束經(jīng)過反射鏡折返后進入到后視成像光譜儀，后視成像光譜儀獲取后方線形視場的圖譜信號；中間視場入射光束經(jīng)過分束器，其中可見光波段經(jīng)過分束器后形成透射光束，被中視成像光譜儀接收；1055nm激光經(jīng)過分束器后形成反射光束，被激光回波接收系統(tǒng)接收。

上述激光發(fā)射系統(tǒng)為多波束激光發(fā)射系統(tǒng)，包括多個光纖激光器，激光整形鏡組，激光脈沖驅動電路，電源模塊、多傳感器同步觸發(fā)系統(tǒng)和溫度穩(wěn)定模塊；

若干個光纖激光器輸出的激光經(jīng)過激光整形光學系統(tǒng)整形成一個垂直于平臺移動方向的線形視場，該線性視場與中視光譜成像光譜儀的接收視場重疊；

多傳感器同步觸發(fā)系統(tǒng)的功能一是根據(jù)搭載平臺對地飛行速度計算系統(tǒng)的工作幀頻；功能二是控制激光脈沖的發(fā)射，觸發(fā)前視、中視、后視光譜成像儀同步曝光，同時觸發(fā)全波形激光雷達同步接收激光回波信號。

上述激光接收系統(tǒng)包括接收微透鏡陣列，APD線陣激光探測器，跨組放大器，差分放大器，AD轉換電路與電源；

微透鏡陣列將激光回波進行匯聚，使激光回波能量集中在APD線陣探測器上，APD線陣激光探測器的每個探測單元對應中視光譜成像儀中若干個地面像元，跨組放大器，差分放大器完成APD探測單元信號的低噪聲放大，AD轉換電路將放大的模擬信號轉換成數(shù)字信號。

本發(fā)明還提供了一種基于上述的高精度視場匹配的主被動立體光譜成像裝置的地物目標三維空間信息和一維光譜信息的探測方法，具有以下步驟：

一、計算系統(tǒng)參數(shù)

1.1、多傳感器同步觸發(fā)系統(tǒng)根據(jù)搭載平臺的高度和主被動立體光譜成像系統(tǒng)的焦距、像元尺寸，計算立體光譜成像系統(tǒng)的空間分辨率；根據(jù)主被動立體光譜成像系統(tǒng)的空間分辨率及搭載平臺的速度，計算并設置主被動立體光譜成像系統(tǒng)幀頻；

1.2、按照光在空氣中的傳播速度，根據(jù)下式計算激光回波信號的持續(xù)時間：(搭載平臺的高度+地面地物的高度差*2)/300，單位為微秒；其中平臺的高度和地面地物的高度差單位為米；激光接收時間略大于等于激光回波時間，保證全波形雷達信號能夠被完整接收；

二、主被動立體光譜成像系統(tǒng)獲得圖譜信息及激光回波信號

2.1、多傳感器同步觸發(fā)系統(tǒng)觸發(fā)激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射激光脈沖信號，同時開始計時，激光脈沖信號經(jīng)過激光整形系統(tǒng)整形之后，均勻的覆蓋中視光譜成像儀的整個視場；

2.2、當計時時間為(搭載平臺高度/300)微秒時，多傳感器同步觸發(fā)系統(tǒng)觸發(fā)前視、中視、后視成像光譜儀開始曝光，同時激光接收系統(tǒng)開始接收激光回波信號；

2.3、前視，中視、后視成像光譜儀依次分別獲取垂直于推掃方向的線視場圖譜信息；隨著搭載平臺的運動，前視、中視、后視成像光譜儀獲取的線視場圖譜信息沿推掃方向進行拼接，形成地物的不同觀測角度的圖譜信息；

2.4、APD線陣激光探測器獲取與中視成像光譜儀同視場的激光回波信號；

三、獲得較低精度的高程信息

利用圖像特征匹配方法或光譜特征匹配的方法找出步驟2.3獲得的前視和后視圖譜數(shù)據(jù)中的同名像對，所謂同名像對即為兩幅圖像中對應同一個地面像元的兩個像素，因為對應同一地元，所以兩個像素的圖像特征和光譜特征相同)。根據(jù)前視圖像、后視圖像兩個攝點的外方位元素和前后視圖像內方位元素，按照空間前方交會原理，計算同名像對對應的地面像元的三維空間信息，根據(jù)空間前方交會原理的誤差公式可知，該方法能夠獲得高精度的兩維平面信息和低精度的高程信息。根據(jù)誤差公式估算高程信息測量誤差范圍；

四、全激光雷達系統(tǒng)獲得高精度高程信息

全波形雷達回波信號為重疊或獨立的高斯信號組成的序列，每個高斯信號對應一個地物，全波形雷達每發(fā)射一次激光脈沖信號，激光接收系統(tǒng)接收整個視場內所有地物分別返回的回波信號，通過對激光接收系統(tǒng)接收的所有地物的回波信號的波形進行高斯分解，根據(jù)高斯回波和原始發(fā)射激光脈沖之間的時間差，解析出所有地物的高精度高程信息；

五、獲得高精度的三維空間信息和光譜信息

利用激光接收系統(tǒng)獲得的高精度高程信息對步驟三中的低精度高程信息進行校正；最終整個系統(tǒng)可以獲得高精度的三維空間信息和光譜信息。

優(yōu)選的上述步驟五具體為：

a、將前視或后視成像光譜儀圖譜數(shù)據(jù)與中視成像光譜儀圖譜數(shù)據(jù)進行匹配，尋找前視或后視成像光譜儀在中視成像光譜儀中的同名像點；

b、找到同名像點后，根據(jù)步驟三得到的較低精度的高程信息，為匹配上的中視成像光譜儀像素點賦值距離/高程值；

c、將中視成像光譜儀中與激光接收系統(tǒng)中的每個APD線陣激光探測器的探測單元對應的若干個像元的距離/高程值按照距離本立體光譜成像系統(tǒng)從近到遠順序排列；

d、將APD線陣激光探測器的探測單元獲取的距離/高程序列和同一視場的中視成像光譜儀若干像元的距離/高程序列進行合并，按照距離本立體光譜成像系統(tǒng)從近到遠的順序排列；

e、在步驟d獲得的序列中選取一個中視成像光譜儀像素點，在該像素點的低精度高程信息高程測量誤差范圍內尋找相鄰的APD線陣激光探測器探測單元的測量數(shù)據(jù)，若找到則采用APD線陣激光探測器探測單元的測量數(shù)據(jù)作為該像素點的最終距離/高程值；若與相鄰的APD線陣激光探測器探測單元的測量值之間的差值超出該像素點的低精度高程信息高程測量誤差范圍，則對該像素點前后兩側相鄰的APD線陣激光探測器探測單元測量的距離/高程值取平均值后作為新的相鄰值插入到序列中，然后判斷該像素點與新相鄰值的誤差是否在該像素點的低精度高程信息高程測量誤差范圍內，若不在范圍內，則再利用新的前后相鄰值進行平均后再插入序列中，直至出現(xiàn)相鄰值落入誤差范圍內。

本發(fā)明的優(yōu)點是：本發(fā)明可以獲得地物目標的高精度三維空間信息和高精度光譜信息，為地物目標的識別與定位提供多維信息。本發(fā)明采用共前置鏡的方法，整個裝置小型緊湊；前視成像光譜儀、中視成像光譜儀、后視成像光譜儀、全波形激光雷達的視場均為線視場；前視成像光譜儀、中視成像光譜儀、后視成像光譜儀組成三線陣立體光譜成像系統(tǒng)，可以獲取高平面空間分辨率、低高程分辨率、高光譜分辨率的三維立體空間信息和一維光譜信息；全波形激光雷達獲取高分辨的高程信息；中視成像光譜儀與全波形激光雷達在硬件上實現(xiàn)了視場匹配，從而降低了后期數(shù)據(jù)配準處理難度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結構示意圖；

圖2為激光發(fā)射系統(tǒng)結構示意圖；

圖3為激光接收系統(tǒng)結構示意圖。

圖中附圖標記為：1-前置鏡組件；2-光路折返及分束組件；201-第一反射鏡；202-第二反射鏡；203-分束器；3-三線陣立體光譜成像系統(tǒng)；301-前視成像光譜儀；302-后視成像光譜儀；303-中視成像光譜儀；4-全波形激光雷達組件；401-激光發(fā)射系統(tǒng)；4011-穩(wěn)流電源一；4012-溫控電路；4013-激光脈沖驅動電路；4014-光纖激光；4015-準直透鏡；4016-展寬柱面鏡；402-激光接收系統(tǒng)；4021-電源二；4022-AD轉換電路；4023-差分放大器；4024-跨組放大器；4025-APD線陣激光探測器；4026-微透鏡陣列，5-多傳感器同步觸發(fā)組件。

具體實施方式

以下結合附圖對本發(fā)明做進一步的描述。

該探測系統(tǒng)包括前置鏡組1，光路折返及分束組件2，第一反射鏡201、第二反射鏡202、分束器203、前視成像光譜儀301、中視成像光譜儀302、后視光譜成像儀303、激光發(fā)射系統(tǒng)401及激光接收系統(tǒng)402。前置鏡組1為大視場高透過率雙高斯鏡組，沿推掃方向的視場不小于24度，保證三線陣立體光譜成像儀的基高比優(yōu)于0.4，前置鏡組垂直于推掃方向的視場根據(jù)系統(tǒng)刈幅寬度和平臺飛行高度等要求選??；前置鏡組為寬譜段鏡組，在可見光(400nm-900nm)至近紅外(1055nm)均具有較高透過率；前置鏡組為三線陣立體成像光譜儀和全波形激光雷達共同使用。光路折返及分束組件2，對前置鏡組輸出的三束線視場光線進行光路折疊，中間視場的光線經(jīng)過分束器后分成兩束，可見光(400nm-900nm)透過分束器進入到中視光譜成像儀，1055nm近紅外的激光回波經(jīng)過分束器反射后進入到激光接收系統(tǒng)。

三線陣立體成像光譜儀組件3，包括前視成像光譜儀301、中視成像光譜儀302、后視光譜成像儀303分別接收不同視場的入射光線，構成一個三線陣立體光譜成像儀。同三線陣相機一樣，其視場均為線陣視場，隨著平臺移動，目標信息依次被前視、中視、后視光譜成像儀接收，獲得高精度平面空間信息和高精度光譜信息，利用前方空間交會原理，可以得到目標到本系統(tǒng)的距離或高程信息。

全波形激光雷達組件4包括激光發(fā)射系統(tǒng)401和激光接收系統(tǒng)402，其中激光發(fā)射系統(tǒng)為多波束激光發(fā)射系統(tǒng)，若干個光纖激光器輸出的激光經(jīng)過激光整形光學系統(tǒng)整形成一個垂直于平臺移動方向的線形視場，該線形視場與中視光譜成像光譜儀的視場完全重疊。激光發(fā)射系統(tǒng)還包括激光脈沖驅動電路4013，穩(wěn)流電源一4011、溫控電路4012等，保證激光脈沖信號的發(fā)射和波長的穩(wěn)定性。激光接收系統(tǒng)402接收激光回波信號，激光接收系統(tǒng)包括接收微透鏡陣列4026，APD線陣激光探測器4025，兩級放大電路，AD轉換電路4022。微透鏡陣列將激光回波進行匯聚，使激光回波能量集中在APD線陣探測器上，APD的每個探測單元對應中視光譜成像儀中的若干個地面像元。兩級放大電路完成APD探測單元信號的低噪聲放大，AD轉換電路將放大的模擬信號轉換成數(shù)字信號。

激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射激光脈沖的頻率與光譜成像儀的幀頻嚴格一致，當搭載平臺移動到新的位置，激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射一個激光脈沖，然后三臺成像光譜儀開始曝光，激光回波接收系統(tǒng)同時接收激光回波信號，激光脈沖回波經(jīng)過地物反射后到達探測系統(tǒng)，根據(jù)回波可以計算對應視場內所有地物的高精度高程信息序列。中視光譜儀像元的低精度高程信息，經(jīng)過對應視場的高程信息序列的擬合校正，得到高精度高程信息。

下面以圖1為實施例，說明本發(fā)明的結構特征，技術性能和效果。本實施例中，搭載平臺移動到一個位置后，激光發(fā)射系統(tǒng)401發(fā)射一個激光脈沖，激光脈沖經(jīng)過激光整形鏡組后，其遠方視場被整形成長條狀均勻光斑，其大小略大于中視光譜成像儀303的視場，并完全覆蓋中視光譜儀303的視場。多傳感器同步觸發(fā)組件5觸發(fā)激光發(fā)射系統(tǒng)401發(fā)射一個激光脈沖，然后觸發(fā)前視成像光譜儀301、中視成像光譜儀303和后視成像光譜儀302開始曝光和激光回波接收系統(tǒng)402開始接收激光回波信號?？梢姽獠ǘ?400-900nm)至近紅外波段1055nm的光線經(jīng)過前置鏡組1分成三束光，前方視場入射光束經(jīng)過反射鏡201折返后進入到前視成像光譜儀301，獲取前方線形視場的圖譜信號；后方視場入射光束經(jīng)過反射鏡202折返后進入到后視成像光譜儀302，獲取后方線形視場的圖譜信號；中間視場入射光束經(jīng)過分束器203分成兩束，其中可見光波段(400-900nm)經(jīng)過分束器后形成透射光束，被中視成像光譜儀303接收；近紅外波段1055nm的激光回波經(jīng)過分束器后形成反射光束，被激光回波接收系統(tǒng)402接收。

三個成像光譜儀幀頻可以通過以下公式計算：

幀頻＝搭載平臺沿推掃方向的速度/成像光譜儀像元的空間分辨率。

搭載平臺沿著推掃方向運動，根據(jù)平臺沿推掃方向速度實時調整成像光譜儀幀頻。

激光脈沖發(fā)射頻率和激光回波接收系統(tǒng)的接收啟動頻率與相機幀頻嚴格一致，因此需要同時進行調整。

前視、后視成像光譜儀的圖譜數(shù)據(jù)分別經(jīng)過拼接，形成數(shù)據(jù)立方體。首先需要尋找兩個數(shù)據(jù)立方體中的同名像對，即同一地面像元在兩個數(shù)據(jù)立方體中對應的像素點。根據(jù)攝影測量坐標系和圖像內外方位元素，采用空間前方交會原理，計算同名像對對應的地面像元到本系統(tǒng)的距離或高程信息。

中視成像光譜儀與全波形激光雷達的視場相同。全波形激光雷達回波接收系統(tǒng)中的線陣雪崩二極管(APD)的一個探測單元對應中視成像光譜儀的若干個像元，對APD的探測單元輸出波形進行高斯分解，得到一系列地物的距離/高程信息，其排列為從近到遠的順序；前后視成像光譜儀圖譜數(shù)據(jù)與中視成像光譜儀圖譜數(shù)據(jù)進行匹配，匹配可以使用圖像特征也可以使用光譜特征，為匹配上的像元賦值距離/高程值。將中視成像光譜儀中與APD探測單元對應的若干個像元的距離/高程值按照距離本系統(tǒng)從近到遠的順序排列。

全波形激光雷達探測單元獲取的距離/高程序列和同一視場的中視成像光譜儀若干像元的距離/高程序列進行合并，仍按照距離本系統(tǒng)從近到遠的順序。

對于中視成像光譜儀中的每一個像元，在其測量誤差范圍內尋找相鄰的激光雷達測量值，采用全波形激光雷達測量數(shù)據(jù)作為該像元的最終距離/高程值。若與相鄰值之間的差超出測量誤差范圍，則對前后兩側相鄰的激光雷達距離/高程值取平均后作為新的相鄰值插入到序列中，然后判斷與新相鄰值的誤差是否在測量誤差范圍內，若沒在范圍內繼續(xù)平均前后相鄰激光雷達的距離/高程值，直至相鄰值落入誤差范圍內，取最接近像元初始距離/高程值的相鄰值作為該像元的高精度距離/高程值。