馮 姍，曾祥忠

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121)

引言

多光譜技術(shù)是上個(gè)世紀(jì)60年代涌現(xiàn)出的一門新興的探測技術(shù),是遙感技術(shù)的重要支撐，它主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，軍事，生物，地質(zhì)湖泊的探測[1]。獲得多光譜圖像的技術(shù)相較于傳統(tǒng)的成像技術(shù)——在特定的譜段成像,得到某一譜段的光譜信息，解決了同種顏色下不同光譜的問題，獲取到更多場景的信息量,多光譜相機(jī)需要對各個(gè)譜段的進(jìn)行成像，隨后進(jìn)行合成[2]，完成對一幅場景的全面探測。

利用光譜技術(shù)采集到的圖像包含了一幅場景的空間分布、輻射強(qiáng)度、光譜的三重信息，是一個(gè)三維數(shù)據(jù)立方體[3]。光譜技術(shù)和圖像采集技術(shù)的結(jié)合，使得超、高、多光譜相機(jī)的應(yīng)用更加廣泛。超、高光譜圖像包含波段數(shù)多，系統(tǒng)龐大復(fù)雜，波譜段之間相關(guān)性很強(qiáng)，不便于分割[4]；信息的存儲(chǔ)量大，實(shí)際應(yīng)用中有時(shí)無需如此精密的數(shù)據(jù)。因此多光譜相機(jī)的多個(gè)波段的光譜信息完全滿足應(yīng)用需求，相機(jī)系統(tǒng)操作簡便。丹麥著名的相機(jī)制造商JAI公司研制出了AD-130GE多光譜相機(jī)[5]，采用棱鏡分光技術(shù)得到多個(gè)譜段的圖像，分辨率為1 296×966像素，幀率為31 fps。目前國內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究中用到的多光譜相機(jī)大多基于濾光片陣列分光[6],濾光片輪式多光譜相機(jī)[7]，前者將多個(gè)波段的濾光片排列成濾光片陣列放置在成像探測器前進(jìn)行采集,后者將特定波段的濾光片制作成濾光片輪，每拍一張轉(zhuǎn)動(dòng)濾光片輪，進(jìn)行下一次拍攝。這些結(jié)構(gòu)都會(huì)造成輻射性能有差異，多個(gè)波段圖像無法同步采集。

本文設(shè)計(jì)出的四波段可見光多光譜相機(jī)，小型化設(shè)計(jì)滿足無人機(jī)搭載條件，使用波段少，光譜信息損失最少，各個(gè)波段都易于分離。同時(shí)具有空間相機(jī)空間幾何性好的性質(zhì)，獲取目標(biāo)物空間二維信息，同時(shí)獲取該目標(biāo)物的光譜信息。使得光譜分辨率與空間分辨率結(jié)合，可得到目標(biāo)物的完整信息。

1 多光譜相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

30多年來，成像光譜技術(shù)[8]一直是研究的熱點(diǎn)，在全球范圍內(nèi)都開發(fā)出了各具特色的成像系統(tǒng)，目前多光譜相機(jī)分為以下兩類結(jié)構(gòu)。

多鏡頭多相機(jī)組合型[9]。采用多個(gè)鏡頭、多個(gè)相機(jī)捆綁組成，鏡頭前方放置濾光片或?yàn)V光片輪，相應(yīng)波譜段的光束通過，同一瞬間，幾個(gè)鏡頭拍攝同一待測目標(biāo)景物，獲取不同譜段的圖像信息，隨后進(jìn)行圖像處理，獲得完整的光譜信息。各通道之間的視軸準(zhǔn)直，圖像的配準(zhǔn)比較困難。

圖1 多鏡頭多相機(jī)組合型Fig.1 Multi-lens multi-camera combination

單鏡頭棱鏡分光型[10]。采用一個(gè)鏡頭成像，光學(xué)分光光路，用多個(gè)三棱鏡分光器將來自景物的光線分離為若干波段的光束，在出射面處放置感光面分別記錄各個(gè)波段的光譜信息。美國生產(chǎn)的MS4100高分辨率3CCD照相機(jī)系統(tǒng)。光譜范圍為300 nm～1 100 nm，分辨率為1 920(H)×1 080(V)像素，它是基于RGB和CIR結(jié)構(gòu)，每個(gè)通道都能獨(dú)立進(jìn)行觸發(fā)拍照。分光系統(tǒng)由3塊棱鏡組成，如圖2所示。每個(gè)出射面處都放有一塊濾光片，讓對應(yīng)波段的光通過。一束寬波段的光束經(jīng)過棱鏡分光系統(tǒng)，在第一塊棱鏡單元，綠光被反射，其他光束通過，在第二塊棱鏡單元，紅光被反射，剩余光束通過。這束寬波段的光被分成了紅光、綠光和近紅外光。

圖2 MS4100分光式相機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 MS4100split-type camera structure

兩類結(jié)構(gòu)中，多鏡頭和多CCD光譜相機(jī)由于自身結(jié)構(gòu)，鏡頭(相機(jī))處于同一水平位置，成像不具備一致性，重疊精度和成像質(zhì)量差，重疊的處理時(shí)間也較長。本文采取單鏡頭棱鏡分光型結(jié)構(gòu)的光譜相機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，圖像重疊精度高；瞬時(shí)獲取4幅圖像，便于觀測動(dòng)態(tài)圖像，不受時(shí)間偏差影響；各波段的光譜獨(dú)立成像，有利于提取感興趣波段的圖像。

2 四通道可見光多光譜相機(jī)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的四通道可見光光譜相機(jī)是一款集光學(xué)、機(jī)械、電子、機(jī)器視覺融為一體的多光譜相機(jī)。它的設(shè)計(jì)包含了光路設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。相機(jī)的分光方式?jīng)Q定相機(jī)系統(tǒng)的分光性能及硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[11]。

2.1 光路設(shè)計(jì)

采用立方體棱鏡分光光路設(shè)計(jì)。多光譜相機(jī)最早采用的分光方式是棱鏡分光技術(shù)和光柵分光技術(shù)[12]，這兩種方式也是最為可靠的分光方式。相對于色散性較大，設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的光柵分光方式，本文設(shè)計(jì)的相機(jī)系統(tǒng)采用立方體棱鏡分光，如圖3所示。其優(yōu)點(diǎn)是：無論是時(shí)間上還是空間上，易于實(shí)現(xiàn)像素級(jí)的對準(zhǔn)，不會(huì)造成光程差，形成干涉級(jí)，譜線亮度很好，能量比較集中。

圖3 棱鏡分光系統(tǒng)Fig.3 Prism splitting system

圖3中，立方體分光棱鏡尺寸為S1=25 mm，相鄰立方體棱鏡之間距離S2=6 mm，傳感器與立方體分光棱鏡距離S3=6 mm，成像鏡頭與第一塊立方體分光棱鏡之間距離為S4=12 mm。

2.1.1 光程

光程差即為兩束光光程之差，是將光傳播的幾何距離與光波的振動(dòng)性質(zhì)整合在一起的重要物理量，光程是光傳播的幾何路徑S與所在截止折射率n的乘積，表示為

(1)

光程差即為兩束光光程的差值，其表達(dá)式為

(2)

四通道相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)中，4個(gè)傳感器采集到的光信息，幾何路徑S以及截止折射率n一致，四通道相機(jī)中空氣截止折射率n0，立方體棱鏡采用K9光學(xué)玻璃制成，其截止折射率為n1，相機(jī)單通道光程L可表示為：L=2n0S1+n0S2+n0S3。理論上，4個(gè)通道光程一致，不存在光程差，由于相機(jī)安裝時(shí)存在一定誤差，因此，S4≈0.2 mm,S3≈0.2 mm，光程差ΔL≈0.6 mm。

2.1.2 鏡頭機(jī)械后截距(BFL)

鏡頭機(jī)械后截距相當(dāng)于相機(jī)后焦距，選擇合適的后截距，相機(jī)系統(tǒng)即可清晰成像，四通道相機(jī)后截距L=2S1+S4+S2+S3=74 mm；根據(jù)設(shè)計(jì)，選取合適的V接口鏡頭。

采用3塊分光比為1∶1的棱鏡分光器，將待測物的總光束分隔為4束光束，棱鏡的出射面放置帶有特定波段濾光片的感光面接收信號(hào)，記錄各個(gè)波段光譜信息。相較于一般的分光鏡都會(huì)引起5%左右的分光偏差，采用膠合面鍍有1:1分光膜的立方體分光棱鏡，立方體分光不會(huì)引起光程差和光軸偏移。光束進(jìn)入鏡頭后，在第一塊棱鏡單元處進(jìn)行1∶1分光，一半折射一半透射，這兩束光光強(qiáng)為初始光束的1/2，在透射面及折射面處各放置一塊1:1分光棱鏡再次進(jìn)行分光，4束光的光強(qiáng)均為原始光束的1/4，光束成分完全相同，在4個(gè)出射面都固定有感光面接收光信號(hào)。

2.2 光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的四通道多光譜相機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。相機(jī)外部尺寸為117 mm× 100 mm×74 mm，相機(jī)的質(zhì)量為1 043 g。根據(jù)相機(jī)的分光系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)框架，尺寸足夠放置總支架，電路板,接插件等，小型化設(shè)計(jì)滿足無人機(jī)搭載條件，相機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用框架支撐。

圖4 相機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.4 Camera structure design

3塊立方體棱鏡尺寸為25 mm×25 mm×25 mm，放置在定制好的框架內(nèi)，用光學(xué)專用膠固定，穩(wěn)定性、抗震性好。安裝在無人機(jī)上對地面進(jìn)行觀測時(shí)，可防止震動(dòng)產(chǎn)生的成像誤差?？蚣芙Y(jié)構(gòu)通過相機(jī)前后面板進(jìn)行固定。

2.3 技術(shù)支撐

1) EUREKA系列ELS-80/4.0V接口鏡頭

選取浩藍(lán)V系列接口鏡頭，如圖5和圖6所示。一般用于工業(yè)相機(jī)靶面較大或特殊用途的鏡頭大多使用專業(yè)的Schneider(施奈德)鏡頭，本文設(shè)計(jì)使用的是采用V接口的鏡頭，靶面尺寸為78 mm，以保證靶面尺寸大于感光片尺寸,即可獲取到完整的圖像信息，后截距為69.2 mm～89.04 mm，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

圖5 ELS-8/4.0V鏡頭Fig.5 ELS-8/4.0V lens

圖6 鏡頭尺寸Fig.6 Lens dimension

鏡頭響應(yīng)波段(400 nm～1000 nm),在此波段上光譜相機(jī)接收到的太陽輻射能量強(qiáng),圖像信噪比高[13],更易去除圖像中的噪點(diǎn)。

2) 多光譜相機(jī)濾光片光譜段選擇

四通道多光譜相機(jī)的研究是在可見光的基礎(chǔ)上采集特定波段的光譜信息。物體組成成分與結(jié)構(gòu)是不同的，它們的光譜特性[14]也不盡相同?？赡茉谀骋粋€(gè)特定的波段是相似的，在別的波段又是不同的。選用3個(gè)適合于觀測農(nóng)業(yè)、植被、環(huán)境的波段[15]。選取最優(yōu)的譜段組[16]可以獲得最大的目標(biāo)信息量，本文設(shè)計(jì)的四通道多光譜相機(jī)，采集4幅圖像，紅，綠，藍(lán)和全光譜。波段之間的關(guān)聯(lián)性小，可更好地辨認(rèn)目標(biāo)物體。

3塊濾光片均為窄帶濾光片，中心波長分別為460 nm、530 nm、650 nm。帶寬約為50 nm，濾光片各波段通過率如圖7所示。

圖7 藍(lán)、綠、紅波段濾光片通過率(從左至右為藍(lán)、綠、紅)Fig.7 Pass rate of blue, green, and red band filters(blue, green, red from left to right)

3 電路設(shè)計(jì)

相機(jī)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)滿足4個(gè)通道圖像數(shù)據(jù)同步采集。FPGA控制器同時(shí)驅(qū)動(dòng)4個(gè)圖像傳感器，實(shí)現(xiàn)4個(gè)通道像素級(jí)同步，曝光完全一致。

圖8 相機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)Fig.8 Circuit design of camera system

多光譜相機(jī)系統(tǒng)中，通過外部觸發(fā)實(shí)現(xiàn)4個(gè)CMOS同步采集。光線通過鏡頭進(jìn)入四通道可見光光譜相機(jī)系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)過分光系統(tǒng)將光束分為4份，通過安裝在感光片前的濾光片來濾除其他波段的光束，采集特定波段的圖像。成像元件CMOS根據(jù)光線的不同將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再通過FPGA芯片進(jìn)行處理。將獲得的目標(biāo)圖像經(jīng)cameralink芯片差分輸出。

四通道可見光光譜相機(jī)的硬件設(shè)計(jì)主要包括功能芯片的選型，F(xiàn)PGA模塊與感光面CMOS的接口設(shè)計(jì)，同步觸發(fā)電路設(shè)計(jì)。電路板主要由3部分組成，F(xiàn)PGA圖像處理板，轉(zhuǎn)接板，插口板，各個(gè)板獨(dú)立作用，降低干擾性。四通道可見光光譜相機(jī)是將全色圖像采集技術(shù)與光譜圖像采集技術(shù)相結(jié)合的一款相機(jī)系統(tǒng)，最終設(shè)計(jì)的相機(jī)實(shí)物如圖9所示。

圖9 四通道可見光光譜相機(jī)Fig.9 Four-channel visible-spectrum camera

4 測試與驗(yàn)證

選擇相機(jī)的3個(gè)光路通道，在其CMOS前放置紅、綠、藍(lán)3個(gè)波段的窄帶濾光片。相機(jī)安裝完成后，固定在支架上，借助直流電源為相機(jī)系統(tǒng)供電，相機(jī)與計(jì)算機(jī)通過cameralink數(shù)據(jù)線連接，計(jì)算機(jī)內(nèi)帶有siliconsoftwareIV系列采集卡，隨后開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

檢驗(yàn)每個(gè)通道圖像的成像情況時(shí)，設(shè)定分辨率后進(jìn)行單幅圖，2幅圖、3幅圖、4幅圖的成像。均可成像后，驗(yàn)證了相機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)通道完好。

實(shí)驗(yàn)階段主要在地面進(jìn)行，白熾燈作為光源，將相機(jī)安裝在支架上對遠(yuǎn)處的植物進(jìn)行成像。實(shí)驗(yàn)初期，并未出現(xiàn)期望圖像，隨后調(diào)整后截距，用硬質(zhì)鋼型材進(jìn)行固定后，光圈調(diào)至最大，能觀測到物體。并且各個(gè)波段通過軟件能夠成像，采集到4個(gè)波段的圖像，單幀的圖像分辨率為1 280×720 pixel,如圖10所示。

圖10 采集的圖像Fig.10 Acquired image

5 結(jié)論

四通道可見光光譜相機(jī)小型化設(shè)計(jì)的目的是，使其滿足無人機(jī)搭載條件，更方便進(jìn)行遙感探測。相機(jī)鏡頭的成像范圍為400 nm～1 000 nm，相機(jī)系統(tǒng)靈活，可任意更換該波段范圍內(nèi)的濾光片進(jìn)行系統(tǒng)的定制。相機(jī)系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)采用立體棱鏡分光設(shè)計(jì)，避免引起5%左右的分光偏差，無論是時(shí)間上還是空間上，都更易于實(shí)現(xiàn)像素級(jí)的對準(zhǔn)，便于進(jìn)行后續(xù)的圖像處理。同時(shí)相機(jī)滿足4個(gè)通道同步采集，F(xiàn)PGA控制器同時(shí)驅(qū)動(dòng)4個(gè)圖像傳感器進(jìn)行同步采集，避免時(shí)延造成的成像誤差。

隨著機(jī)載系統(tǒng)從研究階段走上實(shí)用化、商業(yè)化。本文設(shè)計(jì)的四通道可見光光譜相機(jī)將適用于植被的遙感探測，用于觀測植物的生長狀態(tài)，健康狀況及成長條件等。