基于多通道窄带滤波阵列的微型多光谱成像仪_叶玉

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的分光技术, 发展较 晚, 主要是 利用二元光学 透镜 独特的色散特 性实现分光
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。前三种分光技 术的
分光光路复杂、 可靠性差、 体积庞大、 不适合小型化 设计 ; 滤波型分光技 术属于光学薄膜 技术, 是 一种 多通道滤波平面微型元件, 可以有效的克服前三种 分光技术的缺点, 而且具有光谱分辨率高、 尺寸小、 性能稳定的特点
。若 应用到航天
遥感和深空探测仪器上 , 将大大减轻其有效载荷和
3 系统设计
3 . 1 总体结构设计 本多光谱成 像仪采用在成 像光速中进行 光谱
8期
叶 玉 , 等 : 基于多通道窄带滤波阵列的微型多光谱成像仪
1991
分光的结构形式。利 用高精度步进电 路驱动载物 台进行微米级平动, 实现推扫成像。 3 . 2 分光系统设计 目前 , 用于 成像 光谱 仪器 的光 谱分光 方法 主 要有棱镜、 光 栅、 声光可 调谐 滤波器 , 二 元光 学器 件、 滤波片等方法。目前的应 用情况看 , 棱镜光栅 分光技术应用 广泛且 相对成 熟, 但是其 分光 系统 复杂、 可靠性 差、 体积庞 大、 不适合 微型 化和 小型 化应用。 采用多通道滤波阵列的分光系统, 可同时获得 不同波段的光谱信息 , 而且设备尺寸小, 能和 CCD 很好的契合 , 非常适合小型化应用。 利用多通道窄带滤波单元和 DSP 的辅助控制 , 将其应用于成像系统, 就可以实现光谱图像的实时 采集和处理。由于多 通道窄带滤波单 元的滤波特 性随入射角变化而变化 , 因此需要额外光路消除这 种影响。 3 . 3 载物台自动装置设计 由于采用线列滤波阵列 , 要获得整个视场内观 测目标的二维图像就必 须对另一维进 行推扫。本 系统将载物台安装到一维平动装置上, 然后利用步 进电机来控制载物台的 运动。步进电 机的控制由 CPLD 完成 , 由 CPLD 为步进电机提供四相的驱动信 号和驱动电压, 其中四相驱动信号的频率决定电机 的步进速度。
第 8 卷 第 8 期 2008 年 4 月 1671- 1819( 2008) 8- 1989 - 05
科
学
技
术
与
工
程
Science T echno logy and Eng ineering
V o.l 8 N o . 8 A pr . 2008 2008 Sc.i T ech. Engng.
基于多通道窄带滤波阵列的微型多光谱成像仪
曲线。
4 系统性能测试及其结果
在完成系统集成后, 需要对系统进行光谱定标 和系统非均匀性校正。
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科
学
技
术
与
工
程
8卷
光谱定标的方法 是在光学镜头上 方安装一个 反射镜 , 利用一台高精度单 色仪, 通过 平行光管照 亮反射镜。连续改变单色仪的波长, 得到不同波长 对应的光谱图像 , 从而确定每个通道对应的 CCD 像 素位置 ; 再计算每个通道位 置像素的光谱 曲线, 确 定各个通道的中心波长和宽度
2 主要技术指标
由于成像光 谱仪器的一些 指标参数之间 是相 互影响和相互制约的 , 因此 , 对于多光谱成像而言 , 其主要指标的确定, 需要考虑目标光 谱特性, 系统 的综合性能以及分系统器件 的各种参数的制 约等 因素。 2 . 1 光谱范围 该系统采用反射式被动成像 , 可用于研究目标 的反射光谱特性。由于多通道 窄带滤波阵列 的制 造工艺的限制 , 色散器件的有效滤波范围在 150 n m 左右 , 因此多应用 于特定目标的 窄光谱范围研究。 同时由于受 CCD 量子效应的限制, 可选波长范围在 400~ 900 nm 之间。 本成像光谱 仪主要用于获 取目标样品特 定波 长的荧光图像和反射光图像, 以此分析判断目标的 生长状态。根据 不同 的研 究需求 , 选 择不 同的 波 段。为了分析植物目标 的生长速度、 部位和方式 , 选择可见光近红外波段作为目标光谱波段, 光谱范 围 760 nm ~ 900 nm 。 2 . 2 波段数 波段数的选择主要依据 CCD 的光谱维像元数 目的多少、 多通道窄带滤波单元的制造工艺和光强 大小 , 在实验中我们采用 16个通道。
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图 1 滤波特性同入射角的关系图
分光元件采用上 海技术物理研究 所物理室研 制的多通道窄带滤波阵 列。它是采用 组合刻蚀技 术研制的, 可与探测器阵列匹配的一种微型集成滤 波片, 能够准确获取各光谱 通道位置 , 并且具有集 成度高、 分光系统可靠、 光谱分辨率高等优点 , 可以 大大促进光谱仪器的微 小型化 降低发射成本。 由于光学滤波阵列采用线列结构, 因此 CCD 所 拍摄到 的图像 是由不 同波长 光谱 图像 条组 成的。 通过载物台自动装置对样品进行光谱维推扫 , 就可 以得到整个视场的二维图像以及光谱数据。
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5 结束语
本文通过将成像技术和光谱技术相结合, 设计 了一种基于多通道窄带滤波阵列的多光谱成像仪 , 可获取目标在可见光近红外光谱段 16 个不同波段 的光谱图像和整个光谱段的合成图像 , 可用于植物 在近红外波段的 生长状况研究。相对于其他 分光 技术 , 多通道滤波阵列具有结构紧凑、 可靠性强、 小 型化、 低成本和质量 轻等特点, 适合应用于微 型化 和小型化多光谱成像仪。
3 . 4 CCD 驱动和图像采集系统设计 CCD 驱动和图像采集系统主要包括 CCD 驱动 电路、 CCD 输出信号处理电路、 图像采集和处理单 元和电机驱动 , 系统框图如图 2 所示。其中 CCD 传 感器采用 Dalsa 公司 的 FT 18 , 1 k 1 k 的 帧转 移 CCD, 由 SAA8103 和 TDA 9991 为其提供驱动电压和 驱动信号 , CPLD 模拟 I2C 总线 时序对其进行 内部 寄存器配置。信号处理单元主要用来处理 由 CCD 输出的电 信号 , 它 包括 前置放 大、 相关 双采 样、 嵌 位、 滤波, 增益控制和模数转换等部分 , 在本设计中 采用专用集成 芯片 TDA9965 实现 图像的 预处理。 采用这种基于专用芯片和 CPLD 的 CCD 驱动方案 , 具有很大灵活 性, 可以使 该系 统适用 于不 同类 型 的 CCD。 图像采 集和 处 理单 元 由 DSP 完成。 ADC 与 DSP 之间采用双 口 RAM 进行高速缓存, 其中 双口 RAM 的读写控制由 CPLD 完成。 CPLD 和 DSP采用 乒乓模式读写双口 RAM, 提高数据的吞吐率。 当一帧结束后 , DSP接收 CPLD 的中断信号, 对 采集到的图像进行非均匀校正、 透射率校正和滤波 后, 然后通过 USB 端口将数据发送给 PC 机。其中 非均匀性校正主要是消除 CCD 的非均匀性和光学 系统的非均匀性, 透射率校正主要是消除工艺原因 造成的 单个 滤 波通 道 各个 点 的透 射 率不 一 致 的 问题。
成像光谱技术将光谱分析技术与 二维成像技 术有机地结合在一起, 不仅能对物体进行二维形态 成像, 同时还能提供丰富的光谱信息。由于光谱图 像数据中每一像元含有与被测物理组 分有关的光 谱信息 , 能直接反映出目标 的物理光谱特 征, 从而 揭示各种目标的存在状况和物质成分, 使得从空间 上直接识别目标成为可 能。由于其具 有光谱分辨 率高、 波段多、 图像与光谱相结合等优点 , 因此在遥 感系统的空间与地球的探测 , 在生物医学的活体组 织的成分与病变的检查, 军事目标侦查探 测 品安全检测
图 2 CCD 驱动和图像采集系统 框图
3 . 5 光谱图像处理系统设计 光谱图像处理系统主要包括图像的实时接收、 显示和相关处理。 PC 端通过监控 USB 端口、 实时 接收来自 DSP的图像数据 , 将其合成为目标视场 16 个不同波 长的图 像, 采用小 波变 化将其 融合 并显 示 , 同时允许计算目标视场上每一个点的对应光谱
参 考 文 献
。
其次是非均匀性校正 , 主要克服多通道窄带滤 波片同带通滤波片的透射率的非均匀性 , 方法是在 未安装滤波片组时, 以各 个通道的中心 波长照射 , 得到每个通道中心波长 处的光强。然 后获得安装 滤波片后的相应光强数据 , 两者相除的商作为透射 率校正表。将其存在 DSP 上, 由 DSP 完成对采集图 像的非均匀性校正。 性能测试和校正参数测定后, 利用该成像光谱 仪对牵牛花植株进行拍摄。图 3 是将 16 个通道的 单波段灰度图像融合得到的图像。
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。这种技术在光纤通信、 空间工
程、 工业检测和环境科学等领域获得了广阔的应用。 本文所采用的多通道窄带滤波阵列, 属于滤波 型分光技术, 是上海 技术所物理室研 制的, 具 有集 成度高 (达 128个通道 )、 可同时获得不同波段的光 谱数据、 器件尺寸与 CCD 相匹配以及性能稳定等优 点, 可用于微型和小型化多光谱成像仪
叶 玉 张 涛 郑伟波 王少伟
( 中国科学院上海技术物理研究所 , 上海 200083 )
摘
要
设计出一种 基于多通道窄带滤波阵列的微型பைடு நூலகம் 光谱成 像仪 。 系统 根据推 帚式成像 光谱仪 的原理 进行设 计 , 采用多
通道窄带滤波阵列在 后光学系统进行分光 , 利用高精度载物台驱动实验目 标进行推扫成像 , 选用 U SB 总线 作为数据采 集的微 机接口 。 整个系统由宽光谱光 源 、 普通光学镜头 、 分光滤波片 、 面阵 CCD 成像装置 、 载物台自动装置以及数据采集和控 制模块 等几部分组成 。 系统的光谱范 围从 760 nm 到 900 nm, 共 16 个波段 , 光谱分辨率 < 10 nm。 系统具有同时获取不同波长光谱信 息、 结构紧凑 、 成本低 、 可靠性强和小型化等优点 ; 不仅能够提 供目标 在近红 外的单 波段光谱 图像 , 而且 能够获 得图像 中任意 像素的光谱曲线 , 实现光谱技术和成像技术的结合 。 关键词 多光谱成像 TH744. 1; CCD U SB 光谱曲线 A 中图法分类号 文献标志码