CN108061600B - 一种小型化光谱成像***及成像方法 - Google Patents
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Abstract
一种小型化光谱成像***及成像方法，涉及光电成像技术领域，解决现有CMOS的高光谱成像技术存在提升信噪比的同时，降低了目标的空间分辨率的问题，包括镜头、分光元件和成像***电子学，入射光线经镜头聚焦投影到分光元件，经过分光元件后光线被分为n个窄波谱段，成像***电子学接收n个谱段光线并将其转化为电信号，成像方法包括光谱位置快速标定和高光谱成像两个过程；标定过程用于成像***装配完成后对n个波长光谱在传感器焦面投影位置的快速标定，标定结束后根据标定结果成像***进行高光谱成像；本发明采用具有行向多开窗功能的CMOS图像传感器，不仅功耗小、成本低，而且***集成度高，从而满足了高光谱成像向轻小型化发展的需求。
Description
技术领域
本发明涉及光电成像技术领域，具体涉及一种小型化光谱成像***及成像方法。
背景技术
光谱成像技术在获取目标的二维空间特征信息的同时，可以获取目标的光谱信息，因此在军事侦查、农林观察、环境监测、灾害调查以及地质勘探等领域具有广阔的应用空间并发挥着重要作用。其中高光谱成像***在自然科学的大部分领域以及人民生活的部分领域，比如农作物产量预估、土壤质量评估、水体污染检测、空气污染检测等，起着重要作用。然而目前绝大多数国内高光谱成像***存在着体积重量大、功耗高、成本高昂，而且对应用环境有相对较高要求的问题。轻小型化高光谱成像***成为近年来的迫切发展需求。
由于高光谱成像***需采用滤光片、棱镜或光栅等分光元件，导致入射到传感器焦面的能量较微弱，因此为了获取高成像质量的图像对传感器的灵敏度提出了苛刻要求，传统的高光谱成像***普遍采用CCD图像传感器。但在***集成度、体积、功耗、价格方面，CCD传感器较CMOS传感器存在明显劣势。近年来随着CMOS制造工艺的提升，基于CMOS的高光谱成像技术浮出水面，为了提高灵敏度，现有方法采取在光谱维方向进行同谱段M像素合并的措施，虽然信噪比得以提升倍，但是目标的空间分辨率也相应下降了M倍。
发明内容
本发明为解决现有CMOS的高光谱成像技术存在提升信噪比的同时，降低了目标的空间分辨率的问题，提供一种小型化光谱成像***及成像方法。
一种小型化光谱成像***，包括镜头、分光元件和成像***电子学，入射光线经镜头聚焦投影到分光元件，经过分光元件后光线被分为n个窄波谱段，成像***电子学接收n个谱段光线并将其转化为电信号；
所述成像***电子学包括面阵CMOS图像传感器和成像处理单元；所述成像处理单元包括FPGA，所述FPGA包括时钟管理模块、通信模块、焦面模组驱动控制模块、图像数据接收模块、多谱段独立时间延迟积分算法模块、数据整合模块和存储控制模块；
所述时钟管理模块负责成像***中所有模块的时钟分配；
通信模块用于接收外部设备发送的控制指令，并将控制指令解码获得成像参数后发送至焦面模组驱动控制模块，所述焦面模组驱动控制模块根据解码后的成像参数生成传感器驱动时序，实现n个谱段对应窗口的曝光成像；
CMOS图像传感器输出的高速串行差分图像信号输出至FPGA内部的图像数据接收模块，所述图像数据接收模块按照传感器图像编码算法解码串行图像为并行数据，并用于多谱段独立时间延迟积分算法模块的调用；
所述多谱段独立时间延迟积分算法模块根据各谱段的积分级数，分别对n个谱段进行独立时间延迟积分操作，一个行周期每个谱段输出一行图像，累计共n行积分图像，其他未输出图像通过存储控制模块控制缓存于片内或片外存储器；
所述数据整合模块将n行积分图像进行行流水编号和谱段编号，同一行n个谱段数据行流水号相同，经过一个行周期行流水号自动加1，所述谱段编号按照CMOS图像传感器开窗位置依次编号，增加行流水和谱段编号后通过数传接将所有谱段数据输出。
一种小型化光谱成像方法，该成像方法包括光谱位置快速标定和高光谱成像两个过程；标定过程用于成像***装配完成后对n个波长光谱在传感器焦面投影位置的快速标定，标定结束后根据标定结果成像***进行高光谱成像；具体步骤为：
步骤一、光谱位置快速标定；
步骤一一、设置成像***的成像模式为光谱位置快速标定模式；
步骤一二、FPGA在标定模式下生成焦面模组驱动控制模块的控制时序为满分辨率面阵输出；
步骤一三、调整单色仪并输出单色光，输出波长为分光元件的其中一个波长；
步骤一四、拍照并存储图像；
步骤一五、计算图像的峰值响应区间，并根据图像的峰值响应区间计算结果建立波长与焦面位置关系数引；
步骤一六、调整单色仪输出波长，重复步骤一四至步骤一五，直至遍历所有的光谱波长；并根据完整的波长与焦面位置关系数引，确定n个谱段对应的CMOS图像传感器的n个开窗位置及窗口大小；
步骤二、高光谱成像；
步骤二一、设置成像***的成像模式为高光谱成像模式；
步骤二二、FPGA根据步骤一六获得CMOS图像传感器的n个开窗位置及窗口大小，生成CMOS图像传感器开窗设置指令；
步骤二三、FPGA根据CMOS图像传感器开窗设置指令生成驱动时序；
步骤二四、设置n个谱段积分级数；
步骤二五、按照积分级数对应的每个谱段图像采用独立时间延迟积分算法模块进行计算，计算后每个谱段获得一行积分图像数据，计算公式为：
式中，Sk表示第k个行周期输出的多光谱图像，ROIn,k(i)表示第n谱段第k个行周期的第i行图像；
步骤二六、对步骤二五获得的积分图像数据进行行流水号和谱段编号后，通过数传接口输出n行积分图像；
步骤二七、判断步骤二五获得各谱段积分图像灰度是否均匀，如果是，执行步骤二五，如果否，执行步骤二四。
本发明的有益效果：本发明所述的一种小型化高灵敏高分辨率高光谱成像***，成像***电子学采用具有行向多开窗功能的CMOS图像传感器，不仅功耗小、成本低，而且***集成度高，从而满足了高光谱成像向轻小型化发展的需求。通过巧妙利用CMOS图像传感器的行向多开窗功能，设计了n谱段与CMOS图像传感器n个开窗窗口的投影关系。另外本发明提出一种多谱段独立时间延迟积分算法，该算法可根据不同谱段的响应差异独立设置积分级数Mi得到各谱段灰度均匀的积分图像，将成像***灵敏度和信噪比提高倍，同时空间分辨率保持不变。
附图说明
图1为本发明所述的一种小型化光谱成像***的组成框图；
图2为本发明所述的一种小型化光谱成像***的原理框图；
图3为本发明所述的一种小型化光谱成像***中n个谱段CMOS图像传感器开窗示意图；
图4为本发明所述的一种小型化光谱成像方法流程图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，一种小型化高灵敏高分辨率高光谱成像***，包括镜头1、分光元件2、成像***电子学3。镜头1收集入射光线后将其聚焦投影到分光元件2，经过分光元件2后光线被细分为所需要的n个窄波谱段，成像***电子学3接收n个谱段光线并将其转化为电信号。
本实施方式中所述的镜头可采用常规部件，分光元件可以采用滤光片、棱镜、光栅、干涉分光等方式，镜头和分光元件均可采用成熟产品。所述的成像***电子学包括焦面模组和成像处理单元，为本专利的重点保护部分。
所述的焦面模组采用面阵CMOS图像传感器。所选用CMOS图像传感器不仅***集成度高、体积功耗小，而且具有行向多开窗功能，可针对谱段投影位置进行选择曝光和读出。CMOS图像传感器安装方向为行向与分光元件光谱变化方向平行。如图2所示，本发明的高光谱成像***电子学包括焦面模组和成像处理单元。焦面模组采用面阵CMOS图像传感器。所选用CMOS图像传感器不仅***集成度高、体积功耗小，而且具有行向多开窗功能，可针对谱段投影位置进行选择曝光和读出。成像***中CMOS图像传感器安装方向为行向与分光元件光谱变化方向平行，n个谱段CMOS图像传感器开窗如图3所示。
成像处理单元以可编程逻辑器件为核心，还包括电源模块、晶振、通信接口、数传接口和外部存储器，所述电源模块为可编程逻辑器件供电，晶振用于提供可编程逻辑器件***时钟，本实例中可编程逻辑器件采用FPGA，FPGA软件功能模块包括时钟管理模块、通信模块、焦面模组驱动控制模块、图像数据接收模块、多谱段独立时间延迟积分算法模块、数据整合模块和存储控制模块。时钟管理模块负责***所有模块时钟分配。通信模块一方面接收外部设备发送的控制指令，指令解析后得到成像参数，另一方面向外部设备发送编码后相机状态信息，通信接口可以为CAN、RS422、RS232等各种通用接口形式。焦面模组驱动控制模块依据解码后的成像参数生成传感器驱动时序，完成各谱段对应窗口的曝光成像。图像数据接收模块按照传感器图像编码算法解码高速串行差分图像为并行数据，供多谱段独立时间延迟积分算法模块调用。时间延迟积分算法模块根据各谱段的积分级数，分别对n个谱段进行独立时间延迟积分操作，1个行周期每个谱段输出1行图像，累计共n行积分图像，其他中间结果在存储控制模块控制下缓存于片内存储器或片外存储器(片外DDR2/DDR3)中。数据整合模块将n行积分图像进行行流水编号和谱段编号，同一行n个谱段数据行流水号相同，经过一个行周期行流水号自动加1，谱段编号按照CMOS传感器开窗位置依次编号，增加行流水和谱段编号后按照数传接口要求将所有谱段数据输出。
具体实施方式二、结合图4说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的一种小型化高灵敏高分辨率高光谱成像***的成像方法，该成像方法分为个过程，分别为光谱位置快速标定模式和高光谱成像模式。标定模式用于成像***装配完成后对n个波长光谱在传感器焦面投影位置的快速标定，标定结束后依据标定结果成像***即可开展正式高光谱成像。如图4所示。
光谱位置快速标定模式采用的技术方案如下：
步骤一：设置成像模式为光谱位置快速标定模式；
步骤二：可编程逻辑器件在标定模式下生成传感器驱动控制时序为满分辨率面阵输出；
步骤三：调整单色仪并输出单色光，输出波长为分光元件的其中一个波长；
步骤四：拍照并存储图像；
步骤五：计算图像的峰值响应区间；
步骤六：依据峰值响应区间计算结果建立波长与焦面位置关系数引；
步骤七：调整单色仪输出波长，重复步骤四至步骤六，直至遍历所有的光谱波长。此时依据完整的波长与焦面位置关系数引，即可确定n个谱段对应的传感器n个开窗位置及大小。
高光谱成像模式采用的技术方案如下：
步骤一：设置成像模式为高光谱成像模式；
步骤二：可编程逻辑器件依据波长与焦面位置关系数引确定的传感器n个开窗位置及大小，生成传感器开窗设置指令；
步骤三：可编程器件根据CMOS传感器开窗设置指令生成驱动时序；
步骤四：设置n个谱段积分级数；
步骤五：按照积分级数针对每个谱段图像采用独立时间延迟积分算法，算法计算公式如下：
式中，Sk表示第k个行周期输出的多光谱图像，ROIn,k(i)表示第n谱段第k个行周期的第i行图像。
步骤六：对时间延迟积分算法后得到的图像数据进行行流水号和谱段编号后，按照数传接口兼容格式输出，每个行周期输出1行/谱段，共输出n行积分图像；
步骤七：根据获取图像结果反馈调节各个谱段积分级数，即：判断步骤五获得各谱段积分图像灰度是否均匀，如果是，执行步骤五，如果否，执行步骤四。直至各谱段图像灰度均匀。
本实施方式所述的多谱段独立时间延迟积分算法，在不损失目标像元分辨率的前提下，通过对同一目标在不同时刻的多次曝光值累加实现等效曝光时间增加，提高成像***灵敏度，同时根据目标的光谱响应差异，各个谱段可独立设置不同的积分级数Mi，从而获取各谱段灰度均匀的高光谱图像。
Claims (3)
1.一种小型化光谱成像***的成像方法，包括镜头、分光元件和成像***电子学，入射光线经镜头聚焦投影到分光元件，经过分光元件后光线被分为n个窄波谱段，成像***电子学接收n个窄谱段光线并将其转化为电信号，其特征是；
所述成像***电子学包括面阵CMOS图像传感器和成像处理单元；所述成像处理单元包括FPGA，所述FPGA包括时钟管理模块、通信模块、焦面模组驱动控制模块、图像数据接收模块、多谱段独立时间延迟积分算法模块、数据整合模块和存储控制模块；
所述时钟管理模块负责成像***中所有模块的时钟分配；
通信模块用于接收外部设备发送的控制指令，并将控制指令解码获得成像参数后发送至焦面模组驱动控制模块，所述焦面模组驱动控制模块根据解码后的成像参数生成传感器驱动时序，实现n个谱段对应窗口的曝光成像；
CMOS图像传感器输出的高速串行差分图像信号输出至FPGA内部的图像数据接收模块，所述图像数据接收模块按照传感器图像编码算法解码串行图像为并行数据，并用于多谱段独立时间延迟积分算法模块的调用；
所述多谱段独立时间延迟积分算法模块根据各谱段的积分级数，分别对n个谱段进行独立时间延迟积分操作，一个行周期每个谱段输出一行图像，累计共n行积分图像，其他未输出图像通过存储控制模块控制缓存于片内或片外存储器；
所述数据整合模块将n行积分图像进行行流水编号和谱段编号，同一行n个谱段数据行流水号相同，经过一个行周期行流水号自动加1，所述谱段编号按照CMOS图像传感器开窗位置依次编号，增加行流水和谱段编号后通过数传接将所有谱段数据输出；
采用所述光谱成像***进行成像的方法，包括光谱位置快速标定和高光谱成像两个过程；标定过程用于成像***装配完成后对n个波长光谱在传感器焦面投影位置的快速标定，标定结束后根据标定结果成像***进行高光谱成像；具体步骤为：
步骤一、光谱位置快速标定；
步骤一一、设置成像***的成像模式为光谱位置快速标定模式；
步骤一二、FPGA在标定模式下生成焦面模组驱动控制模块的控制时序为满分辨率面阵输出；
步骤一三、调整单色仪并输出单色光，输出波长为分光元件的其中一个波长；
步骤一四、拍照并存储图像；
步骤一五、计算图像的峰值响应区间，并根据图像的峰值响应区间计算结果建立波长与焦面位置关系数引；
步骤一六、调整单色仪输出波长，重复步骤一四至步骤一五，直至遍历所有的光谱波长；并根据完整的波长与焦面位置关系数引，确定n个谱段对应的CMOS图像传感器的n个开窗位置及窗口大小；
步骤二、高光谱成像；
步骤二一、设置成像***的成像模式为高光谱成像模式；
步骤二二、FPGA根据步骤一六获得CMOS图像传感器的n个开窗位置及窗口大小，生成CMOS图像传感器开窗设置指令；
步骤二三、FPGA根据CMOS图像传感器开窗设置指令生成驱动时序；
步骤二四、设置n个谱段积分级数；
步骤二五、按照积分级数对应的每个谱段图像采用独立时间延迟积分算法模块进行计算，计算后每个谱段获得一行积分图像数据，计算公式为：
式中，Sk表示第k个行周期输出的多光谱图像，ROIn,k(i)表示第n谱段第k个行周期的第i行图像；
步骤二六、对步骤二五获得的积分图像数据进行行流水号和谱段编号后，通过数传接口输出n行积分图像；
步骤二七、判断步骤二五获得各谱段积分图像灰度是否均匀，如果是，执行步骤二五，如果否，执行步骤二四。
2.根据权利要求1所述的一种小型化光谱成像***的成像方法，其特征在于，所述多谱段独立时间延迟积分算法模块，在保持目标像元分辨率不变的前提下，通过对同一目标在不同时刻的多次曝光值累加实现等效曝光时间增加，同时根据目标的光谱响应差异，各个谱段可独立设置不同的积分级数Mi，获取各谱段灰度均匀的高光谱图像；
所述多谱段独立时间延迟积分算法模块采用的计算公式为：
式中，Sk表示第k个行周期输出的多光谱图像，ROIn,k(i)表示第n谱段第k个行周期的第i行图像。
3.根据权利要求1所述的一种小型化光谱成像***的成像方法，其特征在于，所述通信模块还用于通过CAN/RS422/RS232接口向外部设备发送编码后相机状态信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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