發(fā)布時間：2017-07-13 17:23

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

  更多相關(guān)文章： 輕小型無人機 高光譜成像系統(tǒng) 光譜定標 輻射定標 幾何校正 光譜校正

【摘要】：高光譜成像技術(shù)融合了光譜技術(shù)和成像技術(shù),能夠同時獲取目標的光譜信息和空間信息,已經(jīng)廣泛應用于礦物勘探、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。輕小型無人機與之相比,擁有使用成本低,實時性好,可以適應較為復雜的使用環(huán)境等諸多優(yōu)點,并且隨著近些年輕小型無人機技術(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”項目,設(shè)計并研制了一套基于輕小型無人機的高光譜成像系統(tǒng)。為了適應輕小型無人機平臺的特點,系統(tǒng)設(shè)計中主要考慮輕量化,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)進行了參數(shù)定標和性能測試。為了能夠?qū)Λ@取的高光譜數(shù)據(jù)進行定量化分析,文中對高光譜成像系統(tǒng)進行了光譜定標和輻射定標,并根據(jù)定標原理詳細的分析了定標精度。同時深入分析了基于單色準直光掃描定標的原理,設(shè)計出了一套自動化光譜定標系統(tǒng),極大的減輕了定標的工作量。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)象進行理論分析和實驗驗證,證明該現(xiàn)象是由儀器自身熱輻射引起。最后提出通過準實時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)獲取的無人機平臺的姿態(tài)位置數(shù)據(jù),分析了無人機平臺對成像系統(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上進行了飛行實驗,成功獲取的高光譜實驗數(shù)據(jù)。對獲取的高光譜數(shù)據(jù)進行幾何校正后發(fā)現(xiàn),輕小型柴油無人機震動導致成像的空間分辨率低于系統(tǒng)實際空間分辨率。對凝視型高光譜成像在輕小型電動無人機上的應用進行了可行性分析。根據(jù)凝視型高光譜成像原理,分析了無人機平臺對光譜信息的影響。提出了通過提取特征點進行圖像配準的方法對高光譜數(shù)據(jù)的光譜信息進行校正,并通過實際的高光譜數(shù)據(jù)進行了仿真實驗。文中以AOTF高光譜成像儀取代了Offner高光成像儀,同時簡化了整個系統(tǒng),最后在電動無人機上實現(xiàn)了飛行實驗,獲取了相關(guān)試驗數(shù)據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：輕小型無人機 高光譜成像系統(tǒng) 光譜定標 輻射定標 幾何校正 光譜校正
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(上海技術(shù)物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：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 無人機發(fā)展歷史與現(xiàn)狀17-19
• 1.3 基于輕小型無人機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 定標技術(shù)37
• 2.8 本章小結(jié)37-38
• 第三章 基于輕小型無人機機載高光譜成像系統(tǒng)的研制38-64
• 3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計38-39
• 3.1.1 系統(tǒng)指標38
• 3.1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計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50-54
• 3.4.3 應用軟件設(shè)計54-57
• 3.4.3.1 無人機機上軟件設(shè)計54-57
• 3.4.3.2 處理回放軟件設(shè)計57
• 3.5 姿態(tài)位置測量系統(tǒng)57-60
• 3.5.1 慣性導航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66-79
• 4.2.1 光譜特性66-69
• 4.2.2 光譜定標原理69-70
• 4.2.3 光譜定標系統(tǒng)設(shè)計70-74
• 4.2.4 光譜定標結(jié)果74-77
• 4.2.5 光譜定標精度分析77-79
• 4.3 輻射定標79-87
• 4.3.1 輻射定標原理80
• 4.3.2 輻射定標實現(xiàn)80-83
• 4.3.3 輻射定標結(jié)果83-86
• 4.3.4 輻射定標精度分析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 儀器熱輻射與目標功率信號89-92
• 4.5.2 實驗設(shè)計與結(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 準實時暗背景采集降低儀器熱輻射影響94-95
• 4.5 基于“運五”飛機的推掃成像實驗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 嚴格幾何校正原理與算法實現(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 視準軸偏差的影響108-109
• 5.3 無人機姿態(tài)不穩(wěn)定的影響及解決方法109-115
• 5.3.1 無人機姿態(tài)平臺特性分析109-112
• 5.3.2 無人機姿態(tài)變化對成像的影響及解決方法112-115
• 5.4 外場推掃成像實驗及數(shù)據(jù)校正115-121
• 5.4.1 基于輕小型柴油無人直升機推掃成像實驗115-119
• 5.4.1.1 實驗條件115-116
• 5.4.1.2 實驗結(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的推掃成像實驗119-121
• 5.4.2.1 實驗條件119-120
• 5.4.2.2 實驗結(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平臺上應用分析122-146
• 6.1 凝視型高光譜成像儀與無人機平臺122-124
• 6.2 圖像配準在光譜校正中的應用124-136
• 6.2.1 圖像配準124-131
• 6.2.1.1 特征點提取125-129
• 6.2.1.2 特征匹配129-131
• 6.2.1.3 空間變換矩陣估計131
• 6.2.2 光譜校正131-136
• 6.2.2.1 序列圖像配準131-132
• 6.2.2.2 波段間的相關(guān)性分析132-135
• 6.2.2.3 光譜校正的實現(xiàn)135-136
• 6.3 模擬成像實驗及結(jié)果分析136-140
• 6.4 無人直升機懸停技術(shù)指標分析140-141
• 6.5 高光譜成像系統(tǒng)的改進及實驗飛行141-144
• 6.5.1 凝視型高光譜成像系統(tǒng)的改進141
• 6.5.2 外場飛行實驗及結(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148-153
• 作者簡介及在學期間發(fā)表的學術(shù)論文與研究成果153

【參考文獻】

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