一种全反射式成像高光谱观测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及农业技术领域，具体涉及一种全反射式成像高光谱观测系统。
【背景技术】
[0002] 随着卫星遥感技术在农业生产中的应用逐步扩大，根据作物的光谱特性差异，特 别是肥、水等胁迫作用对光谱特性的变异可以进行作物生长状况的实时监测。卫星遥感观 测可以实现空间连续覆盖，但由于卫星遥感观测的像元空间分辨率较低，所以卫星遥感观 测难以适用农田精准信息获取。
[0003] 具有光谱分辨率高、波段连续性强、光谱信息量大、能连续获取作物成像光谱信 息等特点的农业成像高光谱在农业遥感定量化发展中表现出巨大的应用潜力。以国外 AVIRIS、HyMap、CASI及国内PHI、0MIS等代表的机载成像高光谱系统已趋于成熟，但在精准 农业应用中还存在数据获取成本高的问题。
[0004] 因此迫切需要发展适合田块尺度的近低空平台成像高光谱作物信息探测方法。无 人机遥感技术具有作业方便灵活快捷，平台构建、维护以及作业成本低等诸多优势，但微小 型无人机载荷小，必须对已有成像高光谱进行优化改进，使得光谱观测系统全部系统尺寸 和重量控制在无人机载荷范围内。
[0005]目前，由于成像高光谱覆盖波长范围广，获取的信息量大，已经在多个国家得到应 用，但轻质量、小尺寸，能够搭载在微小型无人机上获取大量信息的全反射式成像高光谱 基本处于空白状态。美国HeadWall公司生产的HyperspecOUV成像高光谱能够只能获取 250?600nm范围内的光谱信息，而研究结果表明，植物对于近红外波段（700nm?2500nm) 的反射光谱差异比可见光波段（390?780nm)更为明显，而且由于其质量较大（3kg)，因 此不适用于微小型无人机上作业；加拿大ITres公司设计制造的CASI-1500VNIR机载成像 高光谱获取获取的光谱范围为380-1050nm，具有288个波段，但质量大（3kg)，获取数据位 数较低（12-bit);美国S0C公司生产的SOC710VP?HS光谱观测系统能够获取400? lOOOnm范围内光谱信息，但同样存在光谱分辨率低（4. 69nm)，质量大（3kg)，波段少（128 个）等不足。
[0006] 现有国内外大多数成像高光谱都存在质量和尺寸大，光谱分辨率或者波段少等不 足，缺乏同时具备质量和尺寸小、光谱分辨率高、波段数多、采集数据位数高等诸多优点的 传感器。
[0007] 现有的地面非成像光谱观测系统获取的是观测视场内部冠层混合光谱，无法实现 大范围作物光谱信息快速高效获取。现有的成像高光谱的质量和尺寸大，难以搭载在微小 型无人机平台上。现有的轻小型成像高光谱的波长覆盖范围窄，波段数少，光谱分辨率低， 难以满足植被光谱差异研究的需求。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题是现有技术无法以微小型无人机为目标搭载平台并 且无法满足大面积获取地物成像高光谱数据信息的需求的问题。
[0009] 为此目的，本发明提出一种全反射式成像高光谱观测系统，所述系统包括：镜头、 狭缝组件、平面反射镜、前置球面反射镜Ml、光栅M2、后置球面反射镜M3、电荷耦合元件CCD 相机；
[0010] 所述镜头将光信号传输到所述狭缝组件，所述狭缝组件的入射光线与水平方向的 夹角为预设值
[0011] 所述狭缝组件将光信号传输到所述平面反射镜；
[0012] 所述平面反射镜将光信号传输到所述前置球面反射镜M1，所述前置球面反射镜 Ml的入射角为预设值9 1;
[0013] 所述前置球面反射镜Ml将光信号传输到所述光栅M2,所述光栅M2的入射角为预 设值02，反射角为预设值02' ；
[0014] 所述光栅M2将光信号传输到所述后置球面反射镜M3,所述后置球面反射镜M3的 入射角为预设值03;
[0015] 所述后置球面反射镜M3将光信号传输到所述CCD相机，所述CCD相机的感光平面 与水平方向夹角为预设值Pm。
[0016] 可选的，所述光栅M2为凸面反射式光栅。
[0017] 可选的，所述光栅M2的线密度为300?4001/mm。
[0018] 可选的，所述光栅M2的基底半径为馬为40mm。
[0019]可选的，所述(XD相机的焦面纵向尺寸hspe。为6. 7mm。
[0020]可选的，所述C⑶相机的焦面尺寸为9Xhsp6。。
[0021] 可选的，所述前置球面反射镜Ml的球面半径&为71_。
[0022] 可选的，所述后置球面反射镜M3的球面半径馬为71mm。
[0023]相比于现有技术，本发明的全反射式成像高光谱观测系统，以微小型无人机为目 标搭载平台，采用密度和质量都较小的铝作为观测系统器主体结构材料，集成供电接口和 数据输出接口于一体，设计质量和尺寸小、光谱分辨率高、光谱覆盖范围广、波段数多以及 采集数据位数高，其中，质量和尺寸小（898g，115X97X75mnT3)、光谱覆盖范围广（400? 900nm)、分辨率高（2nm)、波段数和数据采集位数高（250个波段，16bit数据位），不仅将供 电接口和数据获取接口集成于一体，而且集成了惯导系统，可同步采集P〇S(Positionand OrientationSystem,包括经纟韦度、高程、翻滚角、俯仰角、偏航角等）信息，使用方便，能很 好的满足大面积获取地物成像高光谱数据信息的需求。
【附图说明】
[0024] 图1示出了一种全反射式成像高光谱观测系统结构图；
[0025] 图2示出了一种全反射式成像高光谱观测系统光学原理图；
[0026] 图3示出了一种全反射式成像高光谱观测系统尺寸结构图；
[0027] 图4示出了高通滤光片透射率曲线示意图。
【具体实施方式】
[0028] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例 中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明 一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有 做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029] 如图1所示，本实施例公开一种全反射式成像高光谱观测系统，所述系统包括：镜 头、狭缝组件、平面反射镜、前置球面反射镜Ml、光栅M2、后置球面反射镜M3、电荷耦合元件 CCD相机。本实施例中光栅M2为凸面反射式光栅。
[0030] 本实施例的全反射式成像高光谱观测系统采用铝质材料作为观测系统器外壳，既 满足了质量轻的要求，又保证了观测系统器整体的强度和刚度，最终设计出的观测系统器 重量为898g。本实施例的全反射式成像高光谱观测系统尺寸结构图如图3所示。
[0031]如图2所示，前置球面反射镜Ml球面半径为&，入射角为0i，凸面反射式光栅M2 的基底半径R2 = 40mm，入射角为02，反射角为02'，后置反射镜M3球面半径为R3，入射 角为0 3, 0点为狭缝组件位置，IM为C⑶接收光信号窗口，X、Z分别为水平和垂直方向轴， 供、仏分别为狭缝组件入射光线、C⑶感光平面与水平方向轴X轴夹角，(XD探测器焦面尺 寸为9X6. 7mm，衍射级次m= 1，光谱范围400?900nm，由公式R2=hspec/(mnAX)，得到 光栅线密度为300?4001/mm，hspe。为（XD探测器焦面纵向尺寸（即6. 7mm)，A入为光谱 范围，经过子午弧矢聚焦曲线优化，选定光栅线密度为4001/mm(单位：线条数每毫米）。
[0032] 系统设计按F= 2. 5计算（F为光圈大小），通过子午弧矢聚焦曲线优化计算得到 球面反射镜Ml、M3的球面半径：&= 70. 48mm，R3= 70. 69mm。
[0033] 考虑到实际应用过程中球面反射镜的干涉问题，因此设计两块球面反射镜的最终 球面半径为R1= 71mm，R3= 71mm。优化凸面光栅的入射角，得到最终的系统参数如下表所 示（表中a、P分别为入射角和出射角）：
[0034] 表1.优化后的成像光谱观测系统光学系统参数结果
【主权项】
1. 一种全反射式成像高光谱观测系统，其特征在于，所述系统包括：镜头、狭缝组件、 平面反射镜、前置球面反射镜Ml、光栅M2、后置球面反射镜M3、电荷耦合元件CCD相机； 所述镜头将光信号传输到所述狭缝组件，所述狭缝组件的入射光线与水平方向的夹角 为预设值 所述狭缝组件将光信号传输到所述平面反射镜； 所述平面反射镜将光信号传输到所述前置球面反射镜Ml，所述前置球面反射镜Ml的 入射角为预设值01; 所述前置球面反射镜Ml将光信号传输到所述光栅M2,所述光栅M2的入射角为预设值 92，反射角为预设值92' ； 所述光栅M2将光信号传输到所述后置球面反射镜M3,所述后置球面反射镜M3的入射 角为预设值Q3; 所述后置球面反射镜M3将光信号传输到所述CCD相机，所述 CCD相机的感光平面与水平方向夹角为预设值。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光栅M2为凸面反射式光栅。
3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光栅M2的线密度为300?4001/mm。
4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光栅M2的基底半径为R2为40mm。
5. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述CCD相机的焦面纵向尺寸h_。为 6. 7mm〇
6. 根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述CCD相机的焦面尺寸为9Xh
7. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述前置球面反射镜Ml的球面半径R:为 71mm〇
8. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述后置球面反射镜M3的球面半径1?3为 71mm〇
【专利摘要】本发明公开一种全反射式成像高光谱观测系统，所述系统包括：镜头、狭缝组件、平面反射镜、前置球面反射镜M1、光栅M2、后置球面反射镜M3、电荷耦合元件CCD相机；镜头将光信号传输到狭缝组件，狭缝组件的入射光线与水平方向的夹角为预设值狭缝组件将光信号传输到平面反射镜；平面反射镜将光信号传输到前置球面反射镜M1，前置球面反射镜M1的入射角为预设值θ1；前置球面反射镜M1将光信号传输到光栅M2，光栅M2的入射角为预设值θ2，反射角为预设值θ2'；光栅M2将光信号传输到后置球面反射镜M3，后置球面反射镜M3的入射角为预设值θ3；后置球面反射镜M3将光信号传输到CCD相机，CCD相机的感光平面与水平方向夹角为预设值
【IPC分类】G01N21-25
【公开号】CN104614320
【申请号】CN201410828217
【发明人】赵春江, 杨贵军, 徐波, 于海洋, 冯海宽
【申请人】北京农业信息技术研究中心
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2014年12月25日