本文關(guān)鍵詞：基于輕小型無人機(jī)的高光譜成像系統(tǒng)研究

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【摘要】：高光譜成像技術(shù)融合了光譜技術(shù)和成像技術(shù),能夠同時(shí)獲取目標(biāo)的光譜信息和空間信息,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于礦物勘探、農(nóng)林資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)控以及城市規(guī)劃等諸多領(lǐng)域。但是目前高光譜成像系統(tǒng)的遙感平臺仍以衛(wèi)星和載人機(jī)為主,昂貴的使用成本和苛刻的使用條件使諸多中小用戶難以承受。輕小型無人機(jī)與之相比,擁有使用成本低,實(shí)時(shí)性好,可以適應(yīng)較為復(fù)雜的使用環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn),并且隨著近些年輕小型無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,也使得其作為遙感平臺成為可能。本文基于中國地質(zhì)調(diào)查局在2011年啟動的“星空地一體化光譜關(guān)鍵技術(shù)研究與設(shè)備研制”項(xiàng)目,設(shè)計(jì)并研制了一套基于輕小型無人機(jī)的高光譜成像系統(tǒng)。為了適應(yīng)輕小型無人機(jī)平臺的特點(diǎn),系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要考慮輕量化,小型化,模塊化以及低功耗。該系統(tǒng)共分為五個(gè)子系統(tǒng):電源管理系統(tǒng),高光譜成像系統(tǒng),采集控制系統(tǒng),POS系統(tǒng)以及監(jiān)視遙控系統(tǒng)。本文的研究內(nèi)容及取得的研究成果主要包括:對研制的整套系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)定標(biāo)和性能測試。為了能夠?qū)Λ@取的高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行定量化分析,文中對高光譜成像系統(tǒng)進(jìn)行了光譜定標(biāo)和輻射定標(biāo),并根據(jù)定標(biāo)原理詳細(xì)的分析了定標(biāo)精度。同時(shí)深入分析了基于單色準(zhǔn)直光掃描定標(biāo)的原理,設(shè)計(jì)出了一套自動化光譜定標(biāo)系統(tǒng),極大的減輕了定標(biāo)的工作量。發(fā)現(xiàn)短波紅外高光譜成像儀存在暗背景“溫漂”的現(xiàn)象。文中對該現(xiàn)象進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,證明該現(xiàn)象是由儀器自身熱輻射引起。最后提出通過準(zhǔn)實(shí)時(shí)去背景的方法減小其影響的方法。根據(jù)推掃式成像數(shù)據(jù)幾何校正的方法,分析了姿態(tài)位置數(shù)據(jù)的精度對幾何校正精度的影響。并根據(jù)獲取的無人機(jī)平臺的姿態(tài)位置數(shù)據(jù),分析了無人機(jī)平臺對成像系統(tǒng)的影響以及減小影響的方法。將研制的高光譜成像系統(tǒng)搭載在輕小型柴油無人機(jī)上進(jìn)行了飛行實(shí)驗(yàn),成功獲取的高光譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對獲取的高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正后發(fā)現(xiàn),輕小型柴油無人機(jī)震動導(dǎo)致成像的空間分辨率低于系統(tǒng)實(shí)際空間分辨率。對凝視型高光譜成像在輕小型電動無人機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行了可行性分析。根據(jù)凝視型高光譜成像原理,分析了無人機(jī)平臺對光譜信息的影響。提出了通過提取特征點(diǎn)進(jìn)行圖像配準(zhǔn)的方法對高光譜數(shù)據(jù)的光譜信息進(jìn)行校正,并通過實(shí)際的高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。文中以AOTF高光譜成像儀取代了Offner高光成像儀,同時(shí)簡化了整個(gè)系統(tǒng),最后在電動無人機(jī)上實(shí)現(xiàn)了飛行實(shí)驗(yàn),獲取了相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：輕小型無人機(jī) 高光譜成像系統(tǒng) 光譜定標(biāo) 輻射定標(biāo) 幾何校正 光譜校正
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP751;V279
【目錄】：

• 致謝4-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 緒論14-26
• 1.1 課題背景與研究意義14-15
• 1.2 高光譜成像遙感平臺的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀15-19
• 1.2.1 高光譜遙感平臺分類15-17
• 1.2.2 無人機(jī)發(fā)展歷史與現(xiàn)狀17-19
• 1.3 基于輕小型無人機(jī)平臺的高光譜成像系統(tǒng)發(fā)展歷史與現(xiàn)狀19-24
• 1.4 本文的研究內(nèi)容與章節(jié)安排24-26
• 第二章 高光譜成像的基本原理及關(guān)鍵技術(shù)26-38
• 2.1 高光譜成像基本原理26-27
• 2.2 成像技術(shù)27-29
• 2.2.1 光機(jī)掃描式27
• 2.2.2 推掃式27-28
• 2.2.3 凝視成像型28-29
• 2.3 光學(xué)成像系統(tǒng)29
• 2.4 分光技術(shù)29-35
• 2.4.1 色散型分光29-32
• 2.4.2 傅立葉干涉型分光32-33
• 2.4.3 濾光片分光33-35
• 2.4.4 衍射光學(xué)分光技術(shù)35
• 2.5 探測器技術(shù)35-36
• 2.6 高速數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)36-37
• 2.7 定標(biāo)技術(shù)37
• 2.8 本章小結(jié)37-38
• 第三章 基于輕小型無人機(jī)機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)的研制38-64
• 3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)38-39
• 3.1.1 系統(tǒng)指標(biāo)38
• 3.1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)38-39
• 3.2 電源管理系統(tǒng)39-40
• 3.3 高光譜成像系統(tǒng)40-48
• 3.3.1 分光模塊40-43
• 3.3.2 望遠(yuǎn)成像模塊43-44
• 3.3.3 探測器模塊44-48
• 3.4 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)48-57
• 3.4.1 控制核心48-49
• 3.4.2 基于Camera Link協(xié)議的采集存儲板卡49-54
• 3.4.2.1 Camera Link協(xié)議簡介49-50
• 3.4.2.2 采集存儲板卡設(shè)計(jì)50-54
• 3.4.3 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)54-57
• 3.4.3.1 無人機(jī)機(jī)上軟件設(shè)計(jì)54-57
• 3.4.3.2 處理回放軟件設(shè)計(jì)57
• 3.5 姿態(tài)位置測量系統(tǒng)57-60
• 3.5.1 慣性導(dǎo)航57-58
• 3.5.2 GPS定位58
• 3.5.3 組合定位58-59
• 3.5.4 POS系統(tǒng)的選取與使用59-60
• 3.6 監(jiān)視遙測系統(tǒng)60-62
• 3.7 本章小結(jié)62-64
• 第四章 系統(tǒng)的定標(biāo)與測試64-98
• 4.1 空間特性測試64-66
• 4.1.1 空間特性64
• 4.1.2 空間特性測試64-66
• 4.2 光譜定標(biāo)66-79
• 4.2.1 光譜特性66-69
• 4.2.2 光譜定標(biāo)原理69-70
• 4.2.3 光譜定標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)70-74
• 4.2.4 光譜定標(biāo)結(jié)果74-77
• 4.2.5 光譜定標(biāo)精度分析77-79
• 4.3 輻射定標(biāo)79-87
• 4.3.1 輻射定標(biāo)原理80
• 4.3.2 輻射定標(biāo)實(shí)現(xiàn)80-83
• 4.3.3 輻射定標(biāo)結(jié)果83-86
• 4.3.4 輻射定標(biāo)精度分析86-87
• 4.4 系統(tǒng)信噪比測試87-89
• 4.4.1 信號與噪聲87-88
• 4.4.2 信噪比測量88-89
• 4.5 儀器熱輻射對高光譜成像儀性能的影響89-95
• 4.5.1 儀器熱輻射與目標(biāo)功率信號89-92
• 4.5.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析92-93
• 4.5.3 儀器熱輻射對系統(tǒng)成像性能的影響及解決方法93-95
• 4.5.3.1 儀器熱輻射對系統(tǒng)輸出動態(tài)范圍的影響93-94
• 4.5.3.2 準(zhǔn)實(shí)時(shí)暗背景采集降低儀器熱輻射影響94-95
• 4.5 基于“運(yùn)五”飛機(jī)的推掃成像實(shí)驗(yàn)95-97
• 4.6 本章小結(jié)97-98
• 第五章 低空推掃成像幾何校正分析98-122
• 5.1 推掃成像原理98-100
• 5.1.1 構(gòu)像原理98
• 5.1.2 平臺姿態(tài)變化與幾何形變98-100
• 5.2 低空推掃成像幾何校正與精度分析100-109
• 5.2.1 內(nèi)、外方位元素100-104
• 5.2.2 嚴(yán)格幾何校正原理與算法實(shí)現(xiàn)104-106
• 5.2.3 幾何校正精度106-109
• 5.2.3.1 POS系統(tǒng)參數(shù)精度影響106-108
• 5.2.3.2 視準(zhǔn)軸偏差的影響108-109
• 5.3 無人機(jī)姿態(tài)不穩(wěn)定的影響及解決方法109-115
• 5.3.1 無人機(jī)姿態(tài)平臺特性分析109-112
• 5.3.2 無人機(jī)姿態(tài)變化對成像的影響及解決方法112-115
• 5.4 外場推掃成像實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)校正115-121
• 5.4.1 基于輕小型柴油無人直升機(jī)推掃成像實(shí)驗(yàn)115-119
• 5.4.1.1 實(shí)驗(yàn)條件115-116
• 5.4.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及校正圖像116-117
• 5.4.1.3 校正結(jié)果分析117-119
• 5.4.2 基于輕小型電動無人直升機(jī)的推掃成像實(shí)驗(yàn)119-121
• 5.4.2.1 實(shí)驗(yàn)條件119-120
• 5.4.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析120-121
• 5.5 本章小結(jié)121-122
• 第六章凝視型高光譜成像儀在無人直升機(jī)平臺上應(yīng)用分析122-146
• 6.1 凝視型高光譜成像儀與無人機(jī)平臺122-124
• 6.2 圖像配準(zhǔn)在光譜校正中的應(yīng)用124-136
• 6.2.1 圖像配準(zhǔn)124-131
• 6.2.1.1 特征點(diǎn)提取125-129
• 6.2.1.2 特征匹配129-131
• 6.2.1.3 空間變換矩陣估計(jì)131
• 6.2.2 光譜校正131-136
• 6.2.2.1 序列圖像配準(zhǔn)131-132
• 6.2.2.2 波段間的相關(guān)性分析132-135
• 6.2.2.3 光譜校正的實(shí)現(xiàn)135-136
• 6.3 模擬成像實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析136-140
• 6.4 無人直升機(jī)懸停技術(shù)指標(biāo)分析140-141
• 6.5 高光譜成像系統(tǒng)的改進(jìn)及實(shí)驗(yàn)飛行141-144
• 6.5.1 凝視型高光譜成像系統(tǒng)的改進(jìn)141
• 6.5.2 外場飛行實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析141-144
• 6.6 本章小結(jié)144-146
• 第七章 總結(jié)與展望146-148
• 7.1 本文的主要工作和創(chuàng)新146-147
• 7.2 不足與展望147-148
• 參考文獻(xiàn)148-153
• 作者簡介及在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果153

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：537789