[發明專利]一種小型化光譜成像系統及成像方法

有效

• 申請號: 201711336782.6
• 申請日: 2017-12-14
• 公開（公告）號: CN108061600B
• 公開（公告）日: 2019-10-18
• 發明（設計）人: 陶淑蘋;張續嚴;金光;徐偉;曲宏松;吳勇
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 代理公司: 長春眾邦菁華知識產權代理有限公司 22214
• 代理人: 張偉

1.一種小型化光譜成像系統的成像方法，包括鏡頭、分光元件和成像系統電子學，入射光線經鏡頭聚焦投影到分光元件，經過分光元件后光線被分為n個窄波譜段，成像系統電子學接收n個窄譜段光線并將其轉化為電信號，其特征是；

所述成像系統電子學包括面陣CMOS圖像傳感器和成像處理單元；所述成像處理單元包括FPGA，所述FPGA包括時鐘管理模塊、通信模塊、焦面模組驅動控制模塊、圖像數據接收模塊、多譜段獨立時間延遲積分算法模塊、數據整合模塊和存儲控制模塊；

所述時鐘管理模塊負責成像系統中所有模塊的時鐘分配；

通信模塊用于接收外部設備發送的控制指令，并將控制指令解碼獲得成像參數后發送至焦面模組驅動控制模塊，所述焦面模組驅動控制模塊根據解碼后的成像參數生成傳感器驅動時序，實現n個譜段對應窗口的曝光成像；

CMOS圖像傳感器輸出的高速串行差分圖像信號輸出至FPGA內部的圖像數據接收模塊，所述圖像數據接收模塊按照傳感器圖像編碼算法解碼串行圖像為并行數據，并用于多譜段獨立時間延遲積分算法模塊的調用；

所述多譜段獨立時間延遲積分算法模塊根據各譜段的積分級數，分別對n個譜段進行獨立時間延遲積分操作，一個行周期每個譜段輸出一行圖像，累計共n行積分圖像，其他未輸出圖像通過存儲控制模塊控制緩存于片內或片外存儲器；

所述數據整合模塊將n行積分圖像進行行流水編號和譜段編號，同一行n個譜段數據行流水號相同，經過一個行周期行流水號自動加1，所述譜段編號按照CMOS圖像傳感器開窗位置依次編號，增加行流水和譜段編號后通過數傳接將所有譜段數據輸出；

采用所述光譜成像系統進行成像的方法，包括光譜位置快速標定和高光譜成像兩個過程；標定過程用于成像系統裝配完成后對n個波長光譜在傳感器焦面投影位置的快速標定，標定結束后根據標定結果成像系統進行高光譜成像；具體步驟為：

步驟一、光譜位置快速標定；

步驟一一、設置成像系統的成像模式為光譜位置快速標定模式；

步驟一二、FPGA在標定模式下生成焦面模組驅動控制模塊的控制時序為滿分辨率面陣輸出；

步驟一三、調整單色儀并輸出單色光，輸出波長為分光元件的其中一個波長；

步驟一四、拍照并存儲圖像；

步驟一五、計算圖像的峰值響應區間，并根據圖像的峰值響應區間計算結果建立波長與焦面位置關系數引；

步驟一六、調整單色儀輸出波長，重復步驟一四至步驟一五，直至遍歷所有的光譜波長；并根據完整的波長與焦面位置關系數引，確定n個譜段對應的CMOS圖像傳感器的n個開窗位置及窗口大小；

步驟二、高光譜成像；

步驟二一、設置成像系統的成像模式為高光譜成像模式；

步驟二二、FPGA根據步驟一六獲得CMOS圖像傳感器的n個開窗位置及窗口大小，生成CMOS圖像傳感器開窗設置指令；

步驟二三、FPGA根據CMOS圖像傳感器開窗設置指令生成驅動時序；

步驟二四、設置n個譜段積分級數；

步驟二五、按照積分級數對應的每個譜段圖像采用獨立時間延遲積分算法模塊進行計算，計算后每個譜段獲得一行積分圖像數據，計算公式為：

式中，S_k表示第k個行周期輸出的多光譜圖像，ROI_n,k(i)表示第n譜段第k個行周期的第i行圖像；

步驟二六、對步驟二五獲得的積分圖像數據進行行流水號和譜段編號后，通過數傳接口輸出n行積分圖像；

步驟二七、判斷步驟二五獲得各譜段積分圖像灰度是否均勻，如果是，執行步驟二五，如果否，執行步驟二四。

2.根據權利要求1所述的一種小型化光譜成像系統的成像方法，其特征在于，所述多譜段獨立時間延遲積分算法模塊，在保持目標像元分辨率不變的前提下，通過對同一目標在不同時刻的多次曝光值累加實現等效曝光時間增加，同時根據目標的光譜響應差異，各個譜段可獨立設置不同的積分級數M_i，獲取各譜段灰度均勻的高光譜圖像；

所述多譜段獨立時間延遲積分算法模塊采用的計算公式為：

式中，S_k表示第k個行周期輸出的多光譜圖像，ROI_n,k(i)表示第n譜段第k個行周期的第i行圖像。

3.根據權利要求1所述的一種小型化光譜成像系統的成像方法，其特征在于，所述通信模塊還用于通過CAN/RS422/RS232接口向外部設備發送編碼后相機狀態信息。