一种基于LCTF的水下对空多光谱成像装置和方法与流程

一种基于lctf的水下对空多光谱成像装置和方法
技术领域
1.本发明属于水下对空光电探测成像技术领域，具体涉及一种基于液晶可调谐滤光器(lctf)的水下对空多光谱成像装置，以及成像方法。


背景技术：

2.在水下对空光电探测成像时，现有的水下对空成像体制技术仅得到单色光波段的成像信息，即使利用彩色相机也只能得到红绿蓝三个波段信息，无法得到多光谱波段信息。
3.现有的多光谱成像体制有：基于棱镜、光栅分光的多光谱成像系统和基于轮转滤光片的光谱成像系统。
4.其中基于棱镜、光栅分光的多光谱成像系统优点是光能量损失少，光谱分辨率小；缺点是不能消除水体对光谱成像的影响，并且成像时间长，约7s左右，价格昂贵。
5.而基于轮转滤光片的光谱成像系统优点是光能量损失少；缺点是成像时间长，需要电机转动，可能带机械振动影响，产生进一步的噪声。


技术实现要素：

6.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明的目的之一是提供一种基于液晶可调谐滤光器(lctf)的水下对空多光谱成像装置，充分利用水下对空成像目标的光谱特性实现高光谱分辨率的水下对空多光谱成像。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于lctf的水下对空多光谱成像装置和方法，包括装置本体以及通过水密电缆与装置本体连接的主控计算机，所述的装置本体包括水密本体外壳以及设置在本体外壳上的水密接头和水密玻璃窗口，还包括设置在本体外壳内的嵌入式控制板以及通过连接线缆分别与嵌入式控制板连接的电源板、镜头控制板和带有变焦镜头的ccd相机，ccd相机与电源板连接，电源板和嵌入式控制板与水密接头连接，变焦镜头正对水密玻璃窗口，所述的变焦镜头和水密玻璃窗口之间或者变焦镜头和ccd相机之间设置有与嵌入式控制板连接的液晶可调谐滤光器(lctf)。
8.所述的一种基于lctf的水下对空多光谱成像装置，其本体外壳内还设置有散热风扇，与水密接头连接。
9.本发明的目的之二是提供一种基于液晶可调谐滤光器(lctf)的水下对空多光谱成像方法，步骤为：首先，获得水体衰减参数，通过等能白光照射粗糙度均匀的白板采集多光谱参考图像；然后，通过水密电缆连接主控计算机和装置本体，将主控计算机置于水上，将装置本体置于水下某一深度，观察水上空中目标；空中目标依次通过空气、水空界面和水体后，再透过水密玻璃窗口，经过液晶可调谐滤光器可调谐滤波后进入变焦镜头成像，或者经过变焦镜头成像后进入液晶可调谐滤光器可调谐滤波，最终在ccd相机上得到不同光波长的图像信息；最后，对多光谱图像进行校正，获得真实的目标多光谱图像。
10.进一步，所述的多光谱参考图像通过如下步骤得到：
11.1)，在空气中利用可见光全光谱等能白光光源照射到粗糙度均匀的白板上；
12.2)，在装置本体上设置液晶可调谐滤光器的起始波长为450nm，终止波长为750nm，设置波长步阶，设置ccd相机的曝光时间为固定曝光时间，通过水密电缆控制液晶可调谐滤光器、ccd相机和变焦镜头，调焦对焦后，以合适的视场在空气中适当的距离观察放置的白板平面；
13.3)，根据液晶可调谐滤光器设置波长—》ccd相机图像采集—》液晶可调谐滤光器设置波长—》ccd相机图像采集，
…
，依次循环步进，在450～750nm范围采集不同波长下对应的白板图像，作为参考图像r
λ
(x,y)；
14.4)，依次将采集到的参考图像存储于嵌入式控制板，便于实际使用中调用；
15.5)，在实际成像时，将装置本体置于水下某一深度h，或者放置于水下某一深度的某一平台上，同时利用水体参数测量仪器测量水体的光谱衰减系数c
λ
；
16.6)，在装置本体上设置液晶可调谐滤光器的起始波长为450nm，终止波长为750nm，设置波长步阶，设置ccd相机的曝光时间为固定曝光时间，通过水密电缆控制液晶可调谐滤光器、ccd相机和变焦镜头，调焦对焦后，以合适的视场观察空中目标；
17.7)，根据液晶可调谐滤光器设置波长—》ccd相机图像采集—》液晶可调谐滤光器(10)设置波长—》ccd相机图像采集，
…
，依次循环步进，记录450～750nm范围内不同波长下对应的空中目标图像o
λ
(x,y)；
18.8)，通过如下公式利用记录的参考图像r
λ
(x,y)和测量的水体光谱衰减系数c
λ
对空中目标图像进行校正，以减小系统和水体光谱响应差异对成像的影响，则得到校正后目标图像为o
*λ
(x,y)：
[0019][0020]
9)，为减小由于系统噪声相除带来的极值噪声，矫正后的目标图像再经过高斯滤波后，得到最终的水下对空多光谱图像。
[0021]
更进一步，所述的步骤2)和步骤6)中波长步阶为1nm，曝光时间为10ms。
[0022]
与现有技术相比，本发明成像装置具有获得图像光谱分辨率高、波长便于调节和成像时间短的优势，可充分利用水下对空成像目标的光谱特性，弥补现有水下对空技术体系中单色光波段的不足，可获得丰富水下对空目标光谱图像信息，光谱范围在450nm～750nm之间，光谱精度可达1nm，每帧图像获取时间平均值为20ms。
[0023]
同时考虑到ccd传感器光谱响应与变焦透镜、液晶可调谐滤光器和玻璃窗口的光谱透过率对目标光谱图像的差异性影响，本发明通过获得参考图像进行校正的方法可以减小系统不同光谱响应差异对光谱成像的影响。
附图说明
[0024]
图1是本发明成像装置第一实施例的结构示意图；
[0025]
图2是本发明成像装置第一实施例的光路原理框图；
[0026]
图3是本发明成像装置第二实施例的光路原理框图；
[0027]
图4是本发明图像采集过程流程图。
[0028]
各附图标记为：1—主控计算机，2—水密电缆，3—水密接头，4—本体外壳，5—水密玻璃窗口，6—电源板，7—嵌入式控制板，8—ccd相机，9—变焦镜头，10—液晶可调谐滤
光器，11—镜头控制板，12—散热风扇，13—橡胶压圈，14—中继透镜。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
[0030]
为了充分利用水下对空成像目标的光谱特性，弥补现有水下对空技术体系中的单色光波段的不足，提出并设计了基于液晶可调谐滤光器的水下对空多光谱成像装置与方法，具有光谱分辨率高、波长便于调节和成像时间短的优势，同时可以减小系统和水体光谱差异对光谱成像的影响。
[0031]
参照图1、图2所示，本发明公开的一种基于lctf的水下对空多光谱成像装置，包括装置本体以及通过电缆2与装置本体连接的主控计算机1，所述的装置本体包括水密本体外壳4以及设置在本体外壳4上的水密接头3和水密玻璃窗口5，水密玻璃窗口5通过橡胶压圈13安装在本体外壳4上，还包括设置在本体外壳4内的嵌入式控制板7以及通过连接线缆分别与嵌入式控制板7连接的电源板6、镜头控制板11和带有变焦镜头9的ccd相机8，ccd相机8与电源板6连接，电源板6和嵌入式控制板7与水密接头3连接，本体外壳4内还设置有散热风扇12与水密接头3连接，所述的变焦镜头9和水密玻璃窗口5之间设置有与嵌入式控制板7连接的液晶可调谐滤光器10(lctf)。
[0032]
本发明的第二实施例如图3所示，液晶可调谐滤光器10设置在变焦镜头9和ccd相机8之间，而ccd相机8和液晶可调谐滤光器10之间还设置有中继透镜14。
[0033]
本发明方法是基于液晶可调谐滤光器10液晶电控调谐滤波的原理(如图2和图3所示，可采用任意一种方式)，通过等能白光照射粗糙度均匀的白板来采集多光谱参考图像，进一步利用多光谱参考图像和现场测量水体多光谱衰减参数矫正水下对空多光谱目标图像，进而获得水下或者水下对空目标多光谱图像。
[0034]
为了实现上述目的，本发明提供的获取水下对空多光谱成像方法，首先，获得水体衰减参数，通过等能白光照射粗糙度均匀的白板采集多光谱参考图像；然后，通过水密电缆2连接主控计算机1和装置本体，将主控计算机1置于水上，将装置本体置于水下某一深度，观察水上空中目标；空中目标依次通过空气、水空界面和水体后，再透过水密玻璃窗口5，经过液晶可调谐滤光器10可调谐滤波和变焦透镜成像后，在ccd相机8上得到不同光波长的图像信息；最后，对多光谱图像进行校正，获得真实的目标多光谱图像。
[0035]
本步骤基于液晶可调谐滤光器10的调谐滤波方法可以采用两种光路设计任意一种，如图2所示将液晶可调谐滤光器10置于ccd相机8和变焦镜头9同一侧，或者如图3表示将液晶可调谐滤光器10置于ccd相机8和变焦镜头9中间。
[0036]
根据光线在介质中的传输衰减规律服从的比尔定律：
[0037][0038]
相同波长的光线透过相同厚度和参数的水体介质、窗口玻璃介质、液晶滤光片介质和变焦透镜介质后，到达相同的ccd传感器上时，光线的衰减比例相同。在水下对空成像全链路中，由于空气中光线衰减传输影响较小，可以忽略。等能白光多光谱图像仅仅受到窗口玻璃介质、液晶滤光片介质、变焦透镜介质和ccd传感器影响。因此，可以利用等能白光照射的参考图像和水体衰减参数矫正目标光谱图像，获得真实的多光谱目标图像。
[0039]
具体实现步骤如下：
[0040]
(1)在空气中，利用可见光全光谱等能白光光源照射到粗糙度均匀的白板上。
[0041]
(2)在设计的装置本体上设置液晶可调谐滤光器10的起始波长为450nm，终止波长为750nm，设置波长步阶(如1nm)，设置ccd相机8的曝光时间为固定曝光时间(如10ms)，通过水密电缆2控制液晶可调谐滤光器10、ccd相机8和变焦镜头9，调焦对焦后，以合适的视场在空气中适当的距离观察放置的白板平面。
[0042]
(3)根据液晶可调谐滤光器10设置波长—》ccd相机8图像采集—》液晶可调谐滤光器10设置波长—》ccd相机8图像采集，
…
，依次循环步进，在450～750nm范围采集不同波长下对应的白板图像，作为参考图像r
λ
(x,y)，如图3所示。
[0043]
(4)依次将采集到的参考图像存储于嵌入式控制板7，便于实际使用中调用。
[0044]
(5)在实际成像时，将装置本体置于水下某一深度h,或者放置于水下某一深度的某一平台上，同时利用水体参数测量仪器测量水体的光谱衰减系数c
λ
。
[0045]
(6)在装置本体上设置液晶可调谐滤光器10的起始波长为450nm，终止波长为750nm，设置波长步阶(如1nm)，设置ccd相机8的曝光时间为固定曝光时间(如10ms)，通过水密电缆2控制液晶可调谐滤光器10、ccd相机8和变焦镜头9，调焦对焦后，以合适的视场观察空中目标。
[0046]
(7)根据液晶可调谐滤光器10设置波长—》ccd相机8图像采集—》液晶可调谐滤光器10设置波长—》ccd相机8图像采集，
…
，依次循环步进，记录在450nm到750nm范围内不同波长下对应的空中目标图像o
λ
(x,y)，如图3所示。
[0047]
(8)通过如下公式利用记录的参考图像和测量的水体衰减系数对空中目标图像进行校正，以减小系统和水体光谱响应差异对成像的影响，则校正后目标图像为o
*λ
(x,y)：
[0048][0049]
(9)为减小由于系统噪声相除带来的极值噪声，矫正后的目标图像再经过高斯滤波后，得到最终的水下对空多光谱图像。
[0050]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。