CN211626681U - 一种手持微型智能高光谱成像仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种手持微型智能高光谱成像仪，包括立方体结构的壳体以及排布在壳体内部的光谱测量模块、信息获取与处理模块、光源装置和电池模块，信息获取与处理模块位于壳体内上部，光谱测量模块、光源装置和电池模块排列在壳体内下部；信息获取与处理模块与光谱测量模块、光源装置和电池模块相连接。本实用新型所述的手持微型智能高光谱成像仪，具有体积小、重量轻、耗能低、成本低、易携带、精度高和功能丰富的特点，能够在日常生活中普及应用，随时随地的获取目标物体的高光谱数据，并可兼容移动终端和数据云端，可将高光谱数据传输至移动终端分析和处理；也可将数据传输至数据云端，建立标准波谱库，为高光谱数据分析提供比对标准。
Description
技术领域
本实用新型涉及光谱成像技术领域，特别涉及一种手持微型智能高光谱成像仪。
背景技术
目标光谱精细探测与识别是高光谱应用的重要优势。其原理为目标光信号通过光谱仪进一步细分为成百上千连续精细的光谱信号，形成典型的光谱特征曲线，不同的地物都有各自不同的光谱特征曲线，借助标准波谱库就可以对不同的地物及其大气传输特性和气体成分进行“指纹”式的精细化识别。目前，高光谱在资源勘探、环境减灾、精细农业、智慧城市等领域取得了令人可喜的成果，国内外已经发射了数十颗高光谱的卫星，尤其是随着民用高分系列GF-5号高光谱卫星的发射成功，及其后续数颗卫星的连续入轨工作，将极大地推进高光谱从实用化到业务化的迈进。
卫星高光谱遥感可实现全球大范围遍历监视，扫描监视效率高，但是受轨道高度、载荷口径等因素限制，地面分辨率多在几米到几十米左右，无法满足地面特定的小目标精细观测的需求。另外受轨道限制，星载高光谱成像仪难以随时随地对特定区域，尤其是室内等目标进行光谱测量。
目前，小型的高光谱仪一般分为两类，单镜头、分色片分通道型和多镜头、滤光片分光型，镜头、分色片分通道型光谱仪体积重量大，一般用于外场使用，航空遥感则需要搭载各类航空飞行器，而多镜头、滤光片分光型光谱仪得益于探测器及微型滤光片技术的发展，在体积、重量方面得到较大的优化，但是价格昂贵，较难普及日常生活使用。
实用新型内容
本实用新型提出了一种手持微型智能高光谱成像仪，具有体积小、重量轻、耗能低、成本低、易携带等特点，能够普及日常生活应用，随时随地的获取目标物体的高光谱数据，并可兼容移动终端和数据云端，可将高光谱数据传输至移动终端软件分析和处理高光谱数据，也可将数据传输至数据云端，建立标准波谱库，为高光谱数据分析提供比对标准。
为此，本实用新型采用以下技术方案：
一种手持微型智能高光谱成像仪，如图1所示，包括立方体结构的壳体1以及排布在壳体内部的光谱测量模块2、信息获取与处理模块3、光源装置4和电池模块5，所述信息获取与处理模块3位于壳体1内上部，所述光谱测量模块2、光源装置4和电池模块5排列在壳体1内下部；所述信息获取与处理模块3与光谱测量模块2、光源装置4和电池模块5相连接；所述壳体1下侧开有一入光孔径6和一出光孔径7，所述入光孔径6和出光孔径7上均设有防护玻璃；所述壳体1上的入光孔径6与光谱测量模块2前口对正设置，所述壳体1以第一转轴8连接有第一盖板9，与入光孔径6相契合，所述第一盖板9内侧设有漫反射板10；所述壳体1上的出光孔径7与光源装置4对正设置，所述壳体1以第二转轴连11接有第二盖板12，与出光孔径7相契合，所述第二盖板12内侧设有反射镜13；所述第一盖板9和第二盖板12正相对应，所述第一转轴8和第二转轴11均设有转角刻线；所述壳体1下侧还设有USB传输端口14和电源充电口15,所述电池模块5与壳体1的USB传输端口14和电源充电口15相接；所述壳体1外上右侧设有开机按钮16和光源按钮17，所述开机按钮16连接所述电池模块5和信息获取与处理模块3，控制高光谱成像仪的开关机；所述光源按钮17连接光源模块4，控制光源开关；
如图2所示，所述光谱测量模块2包括集光筒21和探测器22，探测器22衔接在集光筒21后侧，所述集光筒21为具有一定锥角的锥形圆筒，所述探测器22如图2、3所示，采用面阵探测器，包括A×B个像元221，所述面阵探测器按照a×b个像元划分形成N个光谱通道，其中a＜A,b＜B；每个光谱通道上分别对应贴有一定波段的滤光片222；
观测视场内的目标通过集光筒集光后，均匀照射到探测器每个光谱通道滤光片上，每个光谱通道内的a×b个像元分别获取对应滤光片波段下的光谱信息DN1、DN2、DN3、……DNa×b，最后经信息获取与处理模块均值化处理获取目标在对应波段下的光谱数据：
光谱测量模块采用无镜头设计，直接采用集光筒衔接探测器，能有有效的降低成本和集成难度，此外还采用面阵探测器，在探测器上设置N个光谱通道，每个光谱通道上对应贴有一定波段的滤光片，使每个波段都对应有多个像元，多个像元共同获取同一波段下的光谱信息，再通过信息获取与处理模块均值化处理获取目标在对应波段下的光谱数据，实现观测均匀化，并可很好的消除成像仪的随机噪声和有效减少探测器的暗电平。
其中，所述集光筒21通过设置不同的锥角211角度来设置成像仪光谱测量面积，如图4所示不同锥角的集光筒，形成的成像仪光谱测量面积不同；其中，所述锥角角度优选为1°-15°；如图4、图5所示所述集光筒内壁还设有倾斜消杂光环，所述消杂光环倾斜角度优选为30°-60°；光线经过倾斜消杂光环后可以很好的限制光谱采集视场，消除无效视场引入的杂光影响，提高成像仪的探测信噪比。
其中，所述探测器及其光谱通道上的滤光片可按需求设置成紫外波段、可见波段、短波红外波段、中波红外波段或长波红外波段或者以上多个波段的组合，并细分成数十到上百个不同带宽或同一带宽的光谱通道。。
其中，如图6所示，所述光源装置4包括标准光源41、准直匀光灯罩42、光源测温装置43和测电流装置44，所述标准光源41位于准直匀光灯罩42焦点处，标准光源41光线光线通过准直匀光灯罩42反射后实现平行匀光输出；所述光源测温装置43和测电流装置44连接标准光源41，用于标定标准光源41的强度。
其中，如图7所示，第一转轴8和第二转轴11的所述转角刻线区间为0°-180°，设置刻度值0°、45°90°、135°和180°。
其中，如图8所示，所述信息获取与处理模块包括FPGA模块、探测器驱动模块、数据缓存及存储模块、通讯及数据传输模块、定标模块和测温模块组成：
所述FPGA模块为主控模块，为高光谱成像仪运行提供正确的工作时序，并将采集的光谱数据进行处理和传输；
所述探测器驱动模块与探测器和FPGA主控模块连接，按照FPGA模块提供的工作时序，获取探测器的光谱数据，并将其传输至FPGA主控模块；
所述数据缓存及存储模块与FPGA主控模块连接，按照FPGA模块的指令将获取的光谱数据进行缓存，并可读入读出图像数据；
所述通讯及数据传输模块与FPGA主控模块连接，按照FPGA模块的指令将光谱数据传输至移动终端或者数据云端；所述通讯及数据传输模块包括蓝牙传输模块wifi传输模块、zigbee传输模块和USB传输模块，所述USB传输模块与USB传输端口相连接；
所述定标模块与光源装置和FPGA主控模块连接，按照FPGA模块的指令，为地物光谱信息的采集提供稳定的定标光源，提高光谱仪的定标精度；
所述测温模块集成有温度传感器，并与FPGA主控模块连接，按照FPGA模块的指令获取环境温度信号，并对温度信号进行存储传输和分析。
其中，如图8所示，所述电源模块采用蓄电池，连接光谱测量模块、信息获取与处理模块和光源装置，其包括三种工作模式：
1)通过电源充电口外部充电输入，为电池组充电，为光谱测量模块、信息获取与处理模块和光源装置的内部电路供电；
2)无外部充电输入，由储存的电量为光谱测量模块、信息获取与处理模块和光源装置的内部电路供电；
3)由储存的电量通过USB传输端口为外部移动终端进行充电。
其中，如图9所示，所述成像仪壳体1正面板设有液晶显示器18，所述显示器背板18与光谱测量模块2、信息获取与处理模块3、光源装置4以及电池模块5连接。光谱测量模块2采集目标光谱信息，传输至信息获取与处理模块进行处理，然后经液晶显示器进行读取，液晶显示器还用于显示光源装置4的开关以及电池模块5的容量。
其中，如图10所示，所述高光谱成像仪配置有温度传感笔19，所述温度传感笔19包括笔杆191，所述笔杆内底部设有温感装置192，所述笔杆内顶部设有蓝牙传输装置193，所述温感装192置通过导线194与蓝牙传输装置193连接。温度传感笔可以随时对目标物体温度进行监测并通过蓝牙传输装置传输至高光谱成像仪，高光谱成像仪依据获取的目标物体光谱数据和目标物体表面温度反演目标物体发射率曲线。
本实用新型还提出一种基于上述手持微型智能高光谱成像仪的定标方法，如图11所示，所述方法包括如下：
为利用太阳光线对高光谱成像仪进行自定标，第一盖板9打开至45°，第二盖板12关闭，利用第一盖板9上的漫反射板10反射太阳光进入高光谱成像仪入光孔径6，对高光谱成像仪进行自定标，获取定标数据。
本实用新型还提出另一种基于上述手持微型智能高光谱成像仪的定标方法，如图12所示，所述方法包括如下：
利用标准光源41输出光线对高光谱成像仪进行自定标，第一盖板9打开至45°，第二盖板12打开至45°，利用第二盖板12上的反射镜13将标准光源41输出光线反射至第一盖板9上的漫反射板10，漫反射板10将标准光源41输出光线反射进入高光谱成像仪入光孔径6，对高光谱成像仪进行自定标，获取定标数据。
本实用新型还提出一种基于上述手持微型智能高光谱成像仪的成像方法，如图13、15所示，所述方法包括如下：
在光线充足时，关闭第二盖板12；打开第一盖板9至180°，高光谱成像仪入光孔径6正对目标物体；
所述目标物体经光谱测量模块集光后，经信息获取与处理模块处理形成光谱数据，经通讯及数据传输模块传输至移动终端，移动终端可将获取的光谱数据进行存储或者处理形成光谱曲线，获取物体光谱信息，建立个性化光谱数据库；
或者将所述光谱数据经通讯及数据传输模块传输至数据云端，通过数据云端进行光谱数据存储和传输；或者在数据云端建立标准波谱库，为用户提供数据远程支持；
所述移动终端与数据云端之间可利用其自带的通讯方式进行光谱数据的传输。
本实用新型还提出一种基于上述手持微型智能高光谱成像仪的成像方法，如图14、15所示，所述方法包括如下：
在光线不足时，调节第二盖板12的角度，使标准光源41的输出光线通过第二盖板12上的反射镜13打到目标物体上，进行补光；打开第一盖板9至180°，高光谱成像仪入光孔径6正对目标物体；
所述目标物体经光谱测量模块集光后，经信息获取与处理模块处理形成光谱数据，经通讯及数据传输模块传输至移动终端，移动终端可将获取的光谱数据进行存储或者处理形成光谱曲线，获取物体光谱信息，建立个性化光谱数据库；
或者将所述光谱数据经通讯及数据传输模块传输至数据云端，通过数据云端进行光谱数据存储和传输；或者在数据云端建立标准波谱库，为用户提供数据远程支持；
所述移动终端与数据云端之间可利用其自带的通讯方式进行光谱数据的传输。
本实用新型还提出一种基于上述的手持微型智能高光谱成像仪测目标物体表面高光谱反射率的方法，如图16所示，所述方法包括如下：
在太阳光照背景下，关闭第二盖板12，打开第一盖板9至180°，高光谱成像仪入光孔径6对着目标物体所处背景，获取目标物体所处背景光谱数据；再将高光谱成像仪入光孔径6正对太阳，获取太阳光光线光谱数据；再将高光谱成像仪入光孔径6针对太阳光照射下的目标物体，获取太阳光照射下的目标物体的光谱数据；
将上述获取的光谱数据经信息获取与处理模块处理，将获取太阳光照射下的目标物体的光谱数据除去获取的目标物体所处背景光谱数据和获取的太阳光光线光谱数据，可获取目标物体表面光谱数据，经通讯及数据传输模块传输至移动终端，移动终端可将获取的光谱数据处理反演出目标物体表面高光谱发射率曲线。
本实用新型还提出了一种基于上述的手持微型智能高光谱成像仪测目标物体表面高光谱反射率的方法，如图17所示，所述方法包括如下：
在暗背景下，关闭第二盖板12，打开第一盖板9至180°，高光谱成像仪入光孔径6对着目标物体所处背景，获取目标物体所处背景光谱数据；再打开第二盖板12至45°，调整第一盖板9至45°，利用第二盖板12上的反射镜13将标准光源41输出光线反射至第一盖板9上的漫反射板10，漫反射板10将标准光源41输出光线反射进入高光谱成像仪入光孔径6，可获取标准光源41输出光线的光谱数据；再调节第二盖板12的角度，使标准光源41输出光线通过第二盖板12上的反射镜13打到目标物体上，进行补光，打开第一盖板9至180°，高光谱成像仪入光孔径6正对标准光源41补光下的目标物体，获取标准光源41补光下的目标物体的光谱数据；
将上述获取的光谱数据经信息获取与处理模块处理，将获取标准光源补光下的目标物体的光谱数据除去获取的目标物体所处背景光谱数据和获取的标准光源输出光线的光谱数据，可获取目标物体表面光谱数据，经通讯及数据传输模块传输至移动终端，移动终端可将获取的光谱数据处理反演出目标物体表面高光谱发射率曲线。
本实用新型采用以上技术方案，具有如下优势：
1)以高度集成各个模块，使高光谱成像仪具有体积小、重量轻、耗能低、成本低、易携带等特点，能够普及日常生活应用，随时随地的获取目标物体的高光谱数据；并可兼容移动终端，可通过通讯及数据传输模块，将高光谱数据传输至移动终端，可实时分析和处理高光谱数据；也可以兼容数据云端，将高光谱数据传输至数据云端，建立标准波谱库，并可借助标准波谱库中水汽吸收带光谱曲线实现定量化含水量监测；借助标准波谱库中光谱曲线分析蓝紫外波段吸收散射情况获取紫外线指数、大气能见度指数和空气质量指数；借助标准波谱库来分析物体特性，具有透过表面辨本质的特点，可应用与水质监测、食品新鲜度监测、作物农药残留监测、室内光源光谱强度舒适性监测以及货币真伪监测等；
2)在集光筒内壁设有倾斜消杂光环，可以很好的限制光谱采集视场，消除无效视场引入的杂光影响，提高手持式光谱仪探测信噪比；
3)在标准光源***设置准直匀光灯罩，使标准光源光线能通过准直匀光灯罩实现平行匀光输出；
4)光谱测量模块探测器采用面阵探测器，采用数个光谱通道按照λ0带宽差分别对应贴有一个波长的滤光片，每个光谱通道下包含数个像元，通过获取光谱通道下每个像元在光谱波长λ下的光谱数据，可获取连续光谱数据。通过信息获取与处理模块将每个光谱通道内的像元获取的光谱数据平均化，再输出光谱曲线，可消除光谱仪随机噪声和减少探测器暗电平。
5)以太阳光线作为主要光源，并辅以标准光源作为补充光源，使高光谱成像仪可以在任何环境下，均不受外界光线影响，可随时进行定标和成像；
6)内置大容量电源模块可兼容外部设备充电，实现高光谱成像仪的无线使用，以及在应急情况下对外部移动终端供电；
7)高光谱成像仪内部设置有精密测温模块，可灵敏的测量外界温度。
附图说明
图1为本实用新型手持微型智能高光谱成像仪内部结构示意图
图2为本实用新型手持微型智能高光谱成像仪光谱测量模块结构示意图
图3为本实用新型手持微型智能高光谱成像仪探测器结构平面示意图
图4为本实用新型手持微型智能高光谱成像仪集光筒设置不同锥角角度下的观测面积比较示意图
图5为本实用新型手持微型智能高光谱成像仪的集光筒的切面结构示意图
图6为本实用新型手持微型智能高光谱成像仪的光源装置的结构示意图
图7为本实用新型手持微型智能高光谱成像仪第一转轴和第二转轴上转角刻线结构示意图
图8为本实用新型手持微型智能高光谱成像仪信息获取与处理模块及电源模块的结构示意图
图9为本实用新型手持微型智能高光谱成像仪外观结构示意图
图10为本实用新型手持微型智能高光谱成像仪配置的温度传感笔的结构示意图
图11为本实用新型实施例手持微型智能高光谱成像仪定标方法的示意图
图12为本实用新型另一实施例手持微型智能高光谱成像仪定标方法的示意图
图13为本实用新型实施例手持微型智能高光谱成像仪成像方法的示意图
图14为本实用新型另一实施例手持微型智能高光谱成像仪成像方法的示意图
图15为本实用新型手持微型智能高光谱成像仪光谱数据应用示意图
图16为本实用新型手持微型智能高光谱成像仪在太阳光照射背景下测目标物体表面高光谱反射率的方法流程示意图
图17为本实用新型手持微型智能高光谱成像仪载暗背景下测目标物体表面高光谱反射率的方法流程示意图
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、特征和优点更加的清晰，对本实用新型的一种具体实施方式做出更为详细的说明，在下面的描述中，阐述了很多具体的细节以便于充分的理解本实用新型，但是本实用新型能够以很多不同于描述的其它方式来实施，因此，本实用新型不受以下公开的具体实施例的限制。
一种手持微型智能高光谱成像仪，如图1所示，包括立方体结构的壳体1以及排布在壳体内部的光谱测量模块2、信息获取与处理模块3、光源装置4和电池模块5，所述信息获取与处理模块3位于壳体1内上部，所述光谱测量模块2、光源装置4和电池模块5排列在壳体1内下部；所述信息获取与处理模块3与光谱测量模块2、光源装置4和电池模块5相连接；所述壳体1下侧开有一入光孔径6和一出光孔径7，所述入光孔径6和出光孔径7上均设有防护玻璃；所述壳体1上的入光孔径6与光谱测量模块2前口对正设置，所述壳体1以第一转轴8连接有第一盖板9，与入光孔径6相契合，所述第一盖板9内侧设有漫反射板10；所述壳体1上的出光孔径7与光源装置4对正设置，所述壳体1以第二转轴连11接有第二盖板12，与出光孔径7相契合，所述第二盖板12内侧设有反射镜13；所述第一盖板9和第二盖板12正相对应，所述第一转轴8和第二转轴11均设有转角刻线；所述壳体1下侧还设有USB传输端口14和电源充电口15,所述电池模块5与壳体1的USB传输端口14和电源充电口15相接；所述壳体1外上右侧设有开机按钮16和光源按钮17，所述开机按钮16连接所述电池模块5和信息获取与处理模块3，控制高光谱成像仪的开关机；所述光源按钮17连接光源模块4，控制光源开关；
如图2所示，所述光谱测量模块2包括集光筒21和探测器22，探测器22衔接在集光筒21后侧，所述集光筒21为具有一定锥角的锥形圆筒，所述探测器22如图2、3所示，采用面阵探测器，包括A×B个像元221，所述面阵探测器按照a×b个像元划分形成N个光谱通道，其中a＜A,b＜B；每个光谱通道上分别对应贴有一定波段的滤光片222；
观测视场内的目标通过集光筒集光后，均匀照射到探测器每个光谱通道滤光片上，每个光谱通道内的a×b个像元分别获取对应滤光片波段下的光谱信息DN1、DN2、DN3、……DNa×b，最后经信息获取与处理模块均值化处理获取目标在对应波段下的光谱数据：
光谱测量模块采用无镜头设计，直接采用集光筒衔接探测器，能有有效的降低成本和集成难度，此外还采用面阵探测器，在探测器上设置N个光谱通道，每个光谱通道上对应贴有一定波段的滤光片，使每个波段都对应有多个像元，多个像元共同获取同一波段下的光谱信息，再通过信息获取与处理模块均值化处理获取目标在对应波段下的光谱数据，实现观测均匀化，并可很好的消除成像仪的随机噪声和有效减少探测器的暗电平。
其中，所述集光筒21通过设置不同的锥角211角度来设置成像仪光谱测量面积，如图4所示不同锥角的集光筒，形成的成像仪光谱测量面积不同；其中，所述锥角角度优选为1°-15°；如图4、图5所示所述集光筒内壁还设有倾斜消杂光环，所述消杂光环倾斜角度优选为30°-60°；光线经过倾斜消杂光环后可以很好的限制光谱采集视场，消除无效视场引入的杂光影响，提高成像仪的探测信噪比。
其中，所述探测器光谱通道上的滤光片可按需求设置成紫外波段、可见波段、短波红外波段、中波红外波段和长波红外波段或者以上多个波段的组合，甚至是所有波段组合。
其中，如图6所示，所述光源装置4包括标准光源41、准直匀光灯罩42、光源测温装置43和测电流装置44，所述标准光源41位于准直匀光灯罩42焦点处，标准光源41光线光线通过准直匀光灯罩42反射后实现平行匀光输出；所述光源测温装置43和测电流装置44连接标准光源41，用于标定标准光源41的强度。
其中，如图7所示，第一转轴8和第二转轴11的所述转角刻线区间为0°-180°，设置刻度值0°、45°90°、135°和180°。
其中，如图8所示，所述信息获取与处理模块包括FPGA模块、探测器驱动模块、数据缓存及存储模块、通讯及数据传输模块、定标模块和测温模块组成：
所述FPGA模块为主控模块，为高光谱成像仪运行提供正确的工作时序，并将采集的光谱数据进行处理和传输；
所述探测器驱动模块与探测器和FPGA主控模块连接，按照FPGA模块提供的工作时序，获取探测器的光谱数据，并将其传输至FPGA主控模块；
所述数据缓存及存储模块与FPGA主控模块连接，按照FPGA模块的指令将获取的光谱数据进行缓存，并可读入读出图像数据；
所述通讯及数据传输模块与FPGA主控模块连接，按照FPGA模块的指令将光谱数据传输至移动终端或者数据云端；所述通讯及数据传输模块包括蓝牙传输模块wifi传输模块、zigbee传输模块和USB传输模块，所述USB传输模块与USB传输端口相连接；
所述定标模块与光源装置和FPGA主控模块连接，按照FPGA模块的指令，为地物光谱信息的采集提供稳定的定标光源，提高光谱仪的定标精度；
所述测温模块集成有温度传感器，并与FPGA主控模块连接，按照FPGA模块的指令获取环境温度信号，并对温度信号进行存储传输和分析。
其中，如图8所示，所述电源模块采用蓄电池，连接光谱测量模块、信息获取与处理模块和光源装置，其包括三种工作模式：
1)通过电源充电口外部充电输入，为电池组充电，为光谱测量模块、信息获取与处理模块和光源装置的内部电路供电；
2)无外部充电输入，由储存的电量为光谱测量模块、信息获取与处理模块和光源装置的内部电路供电；
3)由储存的电量通过USB传输端口为外部移动终端进行充电。
其中，如图9所示，所述成像仪壳体1正面板设有液晶显示器18，所述显示器背板18与光谱测量模块2、信息获取与处理模块3、光源装置4以及电池模块5连接。光谱测量模块2采集目标光谱信息，传输至信息获取与处理模块进行处理，然后经液晶显示器进行读取，液晶显示器还用于显示光源装置4的开关以及电池模块5的容量。
其中，如图10所示，所述高光谱成像仪配置有温度传感笔19，所述温度传感笔19包括笔杆191，所述笔杆内底部设有温感装置192，所述笔杆内顶部设有蓝牙传输装置193，所述温感装192置通过导线194与蓝牙传输装置193连接。温度传感笔可以随时对目标物体温度进行监测并通过蓝牙传输装置传输至高光谱成像仪，高光谱成像仪依据获取的目标物体光谱数据和目标物体表面温度反演目标物体发射率曲线。
本实用新型还提出一种基于上述手持微型智能高光谱成像仪的定标方法，如图11所示，所述方法包括如下：
为利用太阳光线对高光谱成像仪进行自定标，第一盖板9打开至45°，第二盖板12关闭，利用第一盖板9上的漫反射板10反射太阳光进入高光谱成像仪入光孔径6，对高光谱成像仪进行自定标，获取定标数据。
本实用新型还提出另一种基于上述手持微型智能高光谱成像仪的定标方法，如图12所示，所述方法包括如下：
利用标准光源41输出光线对高光谱成像仪进行自定标，第一盖板9打开至45°，第二盖板12打开至45°，利用第二盖板12上的反射镜13将标准光源41输出光线反射至第一盖板9上的漫反射板10，漫反射板10将标准光源41输出光线反射进入高光谱成像仪入光孔径6，对高光谱成像仪进行自定标，获取定标数据。
本实用新型还提出一种基于上述手持微型智能高光谱成像仪的成像方法，如图13、15所示，所述方法包括如下：
在光线充足时，关闭第二盖板12；打开第一盖板9至180°，高光谱成像仪入光孔径6正对目标物体；
所述目标物体经光谱测量模块集光后，经信息获取与处理模块处理形成光谱数据，经通讯及数据传输模块传输至移动终端，移动终端可将获取的光谱数据进行存储或者处理形成光谱曲线，获取物体光谱信息，建立个性化光谱数据库；
或者将所述光谱数据经通讯及数据传输模块传输至数据云端，通过数据云端进行光谱数据存储和传输；或者在数据云端建立标准波谱库，为用户提供数据远程支持；
所述移动终端与数据云端之间可利用其自带的通讯方式进行光谱数据的传输。
本实用新型还提出一种基于上述手持微型智能高光谱成像仪的成像方法，如图14、15所示，所述方法包括如下：
在光线不足时，调节第二盖板12的角度，使标准光源41的输出光线通过第二盖板12上的反射镜13打到目标物体上，进行补光；打开第一盖板9至180°，高光谱成像仪入光孔径6正对目标物体；
所述目标物体经光谱测量模块集光后，经信息获取与处理模块处理形成光谱数据，经通讯及数据传输模块传输至移动终端，移动终端可将获取的光谱数据进行存储或者处理形成光谱曲线，获取物体光谱信息，建立个性化光谱数据库；
或者将所述光谱数据经通讯及数据传输模块传输至数据云端，通过数据云端进行光谱数据存储和传输；或者在数据云端建立标准波谱库，为用户提供数据远程支持；
所述移动终端与数据云端之间可利用其自带的通讯方式进行光谱数据的传输。
本实用新型还提出一种基于上述的手持微型智能高光谱成像仪测目标物体表面高光谱反射率的方法，如图16所示，所述方法包括如下：
在太阳光照背景下，关闭第二盖板12，打开第一盖板9至180°，高光谱成像仪入光孔径6对着目标物体所处背景，获取目标物体所处背景光谱数据；再将高光谱成像仪入光孔径6正对太阳，获取太阳光光线光谱数据；再将高光谱成像仪入光孔径6针对太阳光照射下的目标物体，获取太阳光照射下的目标物体的光谱数据；
将上述获取的光谱数据经信息获取与处理模块处理，将获取太阳光照射下的目标物体的光谱数据除去获取的目标物体所处背景光谱数据和获取的太阳光光线光谱数据，可获取目标物体表面光谱数据，经通讯及数据传输模块传输至移动终端，移动终端可将获取的光谱数据处理反演出目标物体表面高光谱发射率曲线。
本实用新型还提出了一种基于上述的手持微型智能高光谱成像仪测目标物体表面高光谱反射率的方法，如图17所示，所述方法包括如下：
在暗背景下，关闭第二盖板12，打开第一盖板9至180°，高光谱成像仪入光孔径6对着目标物体所处背景，获取目标物体所处背景光谱数据；再打开第二盖板12至45°，调整第一盖板9至45°，利用第二盖板12上的反射镜13将标准光源41输出光线反射至第一盖板9上的漫反射板10，漫反射板10将标准光源41输出光线反射进入高光谱成像仪入光孔径6，可获取标准光源41输出光线的光谱数据；再调节第二盖板12的角度，使标准光源41输出光线通过第二盖板12上的反射镜13打到目标物体上，进行补光，打开第一盖板9至180°，高光谱成像仪入光孔径6正对标准光源41补光下的目标物体，获取标准光源41补光下的目标物体的光谱数据；
将上述获取的光谱数据经信息获取与处理模块处理，将获取标准光源补光下的目标物体的光谱数据除去获取的目标物体所处背景光谱数据和获取的标准光源输出光线的光谱数据，可获取目标物体表面光谱数据，经通讯及数据传输模块传输至移动终端，移动终端可将获取的光谱数据处理反演出目标物体表面高光谱发射率曲线。
根据本实用新型所述的手持微型智能高光谱成像仪设计如下性能指标：
1)体积：145mm×75mm×21.5mm；
2)重量：小于200g；
3)光谱范围：400-1000nm；采用256×128面阵CMOS探测器，并按照10×10像元形成61个光谱通道，光谱通道按照10nm带宽差分别对应贴有400nm、410nm、420nm、……1000nm的窄带滤光片，每个光谱通道的10×10个像元每个光谱通分别获取在光谱通道对应的滤光片光谱波长下的光谱数据，可获取连续400-1000nm的光谱数据。通过信息获取与处理模块将每个光谱通道内的像元获取的光谱数据平均化，再输出光谱曲线，可消除光谱仪随机噪声和减少探测器暗电平。
4)光谱分辨率：10-20nm；
5)观测面积：40-50cm2@100cm；
6)观测精度：平均可达1％；
7)温度测量精度：优于0.1度；
8)湿度测量精度：优于90％；
9)防护玻璃的透过率：优于95％；
10)电源模块电池容量可连续工作时间大于12h。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种手持微型智能高光谱成像仪，其特征在于：包括立方体结构的壳体以及排布在壳体内部的光谱测量模块、信息获取与处理模块、光源装置和电池模块，所述信息获取与处理模块位于壳体内上部，所述光谱测量模块、光源装置和电池模块排列在壳体内下部；所述信息获取与处理模块与光谱测量模块、光源装置和电池模块相连接；所述壳体下侧开有一入光孔径和一出光孔径，所述入光孔径和出光孔径上均设有防护玻璃；所述壳体上的入光孔径与光谱测量模块前口对正设置，所述壳体以第一转轴连接有第一盖板，所述第一盖板与入光孔径相契合，所述第一盖板内侧设有漫反射板；所述壳体上的出光孔径与光源装置对正设置，所述壳体以第二转轴连接有第二盖板，所述第二盖板与出光孔径相契合，所述第二盖板内侧设有反射镜；所述第一盖板和第二盖板正相对应，所述第一转轴和第二转轴均设有转角刻线；所述壳体下侧还设有USB传输端口和电源充电口,所述电池模块与壳体的USB传输端口和电源充电口相接；所述壳体外上右侧设有开机按钮和光源按钮，所述开机按钮连接所述电池模块和信息获取与处理模块，控制高光谱成像仪的开关机；所述光源按钮连接光源模块，控制光源开关。
2.根据权利要求1所述的一种手持微型智能高光谱成像仪，其特征在于：所述光谱测量模块包括集光筒和探测器，探测器衔接在集光筒后侧，所述集光筒为具有一定锥角的锥形圆筒，所述探测器采用面阵探测器，包括A×B个像元，所述面阵探测器按照a×b个像元划分形成N个光谱通道，其中a＜A,b＜B；每个光谱通道上分别贴有一定波段的滤光片；
观测视场内的目标通过集光筒集光后，均匀照射到探测器每个光谱通道滤光片上，每个光谱通道内的a×b个像元分别获取对应滤光片波段下的光谱数据DN1、DN2、DN3、……DNa×b，最后经信息获取与处理模块均值化处理获取目标在对应波段下的光谱数据：
3.根据权利要求2所述的一种手持微型智能高光谱成像仪，其特征在于：所述集光筒通过设置不同的锥角角度来设置成像仪光谱测量面积；所述锥角角度为1°-15°；所述集光筒内壁还设有倾斜消杂光环，所述消杂光环倾斜角度为30°-60°。
4.根据权利要求2所述的一种手持微型智能高光谱成像仪，其特征在于：所述探测器及其光谱通道上的滤光片可按需求设置成紫外波段、可见波段、短波红外波段、中波红外波段或长波红外波段，并细分成数十到上百个不同带宽或同一带宽的光谱通道。
5.根据权利要求1所述的一种手持微型智能高光谱成像仪，其特征在于：所述光源装置包括标准光源、准直匀光灯罩、光源测温装置和测电流装置，所述标准光源位于准直匀光灯罩焦点处，标准光源光线通过准直匀光灯罩反射后实现平行匀光输出；所述光源测温装置和测电流装置连接标准光源。
6.根据权利要求1所述的一种手持微型智能高光谱成像仪，其特征在于：所述第一转轴和第二转轴的转角刻线区间为0°-180°，设置刻度值0°、45°90°、135°和180°。
7.根据权利要求1所述的一种手持微型智能高光谱成像仪，其特征在于：所述信息获取与处理模块包括FPGA模块、探测器驱动模块、数据缓存及存储模块、通讯及数据传输模块、定标模块和测温模块组成：
所述FPGA模块为主控模块，为高光谱成像仪运行提供正确的工作时序，并将采集的光谱数据进行处理和传输；
所述探测器驱动模块与光谱测量模块和FPGA主控模块连接，按照FPGA模块提供的工作时序，获取光谱测量模块探测器的光谱数据，并将其传输至FPGA主控模块；
所述数据缓存及存储模块与FPGA主控模块连接，按照FPGA模块的指令将获取的光谱数据进行缓存，并可读入读出图像数据；
所述通讯及数据传输模块与FPGA主控模块连接，按照FPGA模块的指令将光谱数据传输至移动终端软件或者数据云端；所述通讯及数据传输模块包括蓝牙传输模块wifi传输模块、zigbee传输模块和USB传输模块，所述USB传输模块与USB传输端口相连接；
所述定标模块与光源装置和FPGA主控模块连接，按照FPGA模块的指令，为地物光谱信息的采集提供稳定的定标光源，提高光谱仪的定标精度；
所述测温模块集成有温度传感器，并与FPGA主控模块连接，按照FPGA模块的指令获取环境温度信号，并对温度信号进行存储和传输。
8.根据权利要求1所述的一种手持微型智能高光谱成像仪，其特征在于：所述电池模块采用蓄电池，连接光谱测量模块、信息获取与处理模块和光源装置，其包括三种工作模式：
1)通过电源充电口外部充电输入，为电池组充电，为光谱测量模块、信息获取与处理模块和光源装置的内部电路供电；
2)无外部充电输入，由储存的电量为光谱测量模块、信息获取与处理模块和光源装置的内部电路供电；
3)由储存的电量通过USB传输端口为外部移动终端进行充电。
9.根据权利要求1所述的一种手持微型智能高光谱成像仪，其特征在于：所述成像仪壳体正面板设有液晶显示器，所述显示器背板与光谱测量模块、信息获取与处理模块、光源装置以及电池模块连接。
10.根据权利要求1所述的一种手持微型智能高光谱成像仪，其特征在于：所述高光谱成像仪配置有温度传感笔，所述温度传感笔包括笔杆，所述笔杆内底部设有温感装置，所述笔杆内顶部设有蓝牙传输装置，所述温感装置通过导线与蓝牙传输装置连接。
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|---|---|---|---|
| CN202020206083.0U CN211626681U (zh) | 2020-02-25 | 2020-02-25 | 一种手持微型智能高光谱成像仪 |
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| CN202020206083.0U CN211626681U (zh) | 2020-02-25 | 2020-02-25 | 一种手持微型智能高光谱成像仪 |
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| CN (1) | CN211626681U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111174913A (zh) * | 2020-02-25 | 2020-05-19 | 南通智能感知研究院 | 一种手持微型智能高光谱成像仪及其定标和成像方法 |
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2020
- 2020-02-25 CN CN202020206083.0U patent/CN211626681U/zh active Active
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