劉 磊， 毛文華， 趙 博， 王 輝， 苑嚴(yán)偉

(中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083)

凝視型AOTF高光譜成像系統(tǒng)設(shè)計*

劉 磊， 毛文華， 趙 博， 王 輝， 苑嚴(yán)偉

(中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083)

以聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF)為分光元件，集成了一種凝視型AOTF高光譜成像系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件由AOTF及其控制器、CCD近紅外相機(jī)、鏡頭、計算機(jī)組成，系統(tǒng)軟件采用VC++2010語言，調(diào)用機(jī)器視覺算法包HALCON10.0的庫文件和AOTF的庫文件，實(shí)現(xiàn)對AOTF控制器和相機(jī)操作的控制及高光譜圖像預(yù)處理。所集成的AOTF的凝視型光譜成像系統(tǒng)能連續(xù)采集被測物體的高光譜圖像，光譜段為550～1 000 nm，光譜分辨率為2～6 nm，圖像分辨率為1 392像素×1 040像素。

聲光可調(diào)諧濾波器； 高光譜成像； 凝視型

0 引 言

高光譜成像技術(shù)是一種基于方位和光譜的三維信息探測技術(shù)，能夠在連續(xù)光譜段上對同一目標(biāo)連續(xù)成像，產(chǎn)生一個圖譜合一的“圖像立方體”， 是目前重要的被動遙感探測手段之一，被廣泛應(yīng)用于植被遙感、海洋遙感、礦物勘察、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。目前，成像光譜儀主要有擺掃式、推掃式、窗掃式和凝視式四種方法實(shí)現(xiàn)空間成像。其中，凝視式高光譜成像儀使用面陣探測器依次記錄二維空間各個波段的圖像數(shù)據(jù)，不需要采用動鏡或通過平臺移動實(shí)現(xiàn)空間維成像，成為一個新的研究熱點(diǎn)[1]。

聲光可調(diào)諧濾波器(acousto optical tunable filter，AOTF)是一種新型的分光器件，利用聲光衍射原理，采用聲光調(diào)制產(chǎn)生單色光，即通過超聲射頻的變化實(shí)現(xiàn)光譜掃描[2,3]?；贏OTF的凝視式成像光譜儀具有波長任意選擇、光譜分辨率高、波段調(diào)諧快、體積小、無運(yùn)動部件、環(huán)境適應(yīng)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足緊湊、輕量和可編程的光譜成像需求，更適用于近地平臺觀測，成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[4～13]。因此，本文以AOTF為分光元件，集成了一種凝視型AOTF高光譜成像系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件

集成的凝視型AOTF高光譜成像系統(tǒng)采用AOTF進(jìn)行電調(diào)諧濾光，能同時獲得被觀測對象豐富的空間維和光譜維信息。系統(tǒng)硬件由AOTF及其控制器、CCD近紅外相機(jī)、鏡頭、計算機(jī)組成(如圖1所示)。被測對象的反射光通過鏡頭入射到AOTF中，AOTF控制器產(chǎn)生射頻電信號作用到AOTF上；經(jīng)過AOTF后，所選擇的光譜波段的光被近紅外相機(jī)探測到，形成了對應(yīng)光譜波段的光譜圖像，并存儲到計算機(jī)中；計算機(jī)控制AOTF控制器和近紅外相機(jī)。

1)AOTF及其控制器：AOTF中TeO2晶體一端的換能器在射頻信號作用下激勵晶體表面產(chǎn)生超聲波，在晶體表面形成衍射光柵，影響通過晶體表面光波的傳播，這樣,通過改變射頻信號源頻率大小就可以改變通過AOTF的光波波長，從而有目的選擇光譜波長，達(dá)到分光目的。選用的美國Brimrose 公司CVA200—.55—1.0—L型AOTF及其控制器，波長范圍550～1 000 nm，光譜分辨率2～6 nm， 射頻頻率92～185 MBZ。

圖1 凝視型AOTF高光譜成像系統(tǒng)硬件組成示意圖和實(shí)物圖Fig 1 Diagram and physical map of hardware composition staring type AOTF hyperspectral imaging system

2)CCD近紅外相機(jī)：與AOTF相配的相機(jī)需快速采集550～1 000 nm光譜范圍內(nèi)的高分辨率圖像。因此，選用了日本JAI公司的BM—141GE型近紅外黑白相機(jī)，相機(jī)Sony ICX—285 2/3"逐行掃描CCD傳感器，有效分辨率1 392像素×1 040像素，全幀幀速率30幀/s。該相機(jī)可以對近紅外光響應(yīng)，靈敏度0.03 lx，具有常規(guī)芯片在945 nm波長約4倍的光敏度；可以改善微透鏡技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)更高的整體靈敏度和低smear特點(diǎn)。

3)計算機(jī)：AOTF控制器通過串口與計算機(jī)相連，接收計算機(jī)發(fā)送的命令；近紅外相機(jī)通過千兆網(wǎng)接口與計算機(jī)相連，接收計算機(jī)發(fā)送的命令并發(fā)送數(shù)據(jù)到計算機(jī)存儲。

2 系統(tǒng)軟件

采用VC++2010語言編寫系統(tǒng)軟件，調(diào)用德國MVtec公司的機(jī)器視覺算法包HALCON10.0的庫文件halcon.lib和halconcpp.lib中的函數(shù)，以及AOTF的庫文件SpfIIDll.lib中的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對AOTF控制器和相機(jī)操作的控制。

1)檢測設(shè)備：檢測AOTF控制器和相機(jī)的鏈接和開關(guān)狀態(tài)，如果無誤，相機(jī)狀態(tài)顯示為OK。主要調(diào)用如下函數(shù)實(shí)現(xiàn)：

InitSpfII(“SpfII.cfg”,“Hardware.cfg”);∥初始化AOTF的com口和控制器

open_framegrabber(“GigEVision”,0,0,0,0,0,0,“progressive”,-1,“default”,-1,“false”,“default”,“000cdf044378_JAILtdJapan_BM141GE”,0,-1,&AcqHandle);∥打開相機(jī)

2)參數(shù)設(shè)置：設(shè)置AOTF的掃描模式、頻率等參數(shù)。

SetScanMode(SCAN_MODE_STOP);∥設(shè)置掃描模式為單次掃描模式

SetScanInterval(dInterval);∥掃描時間間隔為多少秒，缺省為1 s

SetSweep(uiChannel,dStart,dStop,dInc)；∥設(shè)置工作通道的起始和停止頻率及頻率增量。

3)開始采集：AOTF開始以設(shè)定的間隔時間，從設(shè)置的起始頻率開始調(diào)諧波長，依據(jù)設(shè)置的頻率增量遞增頻率，直至設(shè)置的停止頻率為止。每次頻率的調(diào)諧時間為設(shè)定的掃描時間間隔。每隔調(diào)諧一次頻率，采集一幀該頻率所對應(yīng)波長下的圖像并保存。開始采集后，在系統(tǒng)工作狀態(tài)欄中顯示已采集的圖像幀數(shù)、正在掃描的波段、采集時間。

SendRun(true);∥AOTF開始調(diào)諧濾波

grab_image_async(&CaptureImg,AcqHandle,-1);∥采集1幀圖像

write_image(CaptureImg,“jpeg”,0,filename);∥保存圖像

3 光譜數(shù)據(jù)處理與分析

高光譜圖像的預(yù)處理以雜草葉片的高光譜圖像HIS-i.bmp(i∈[550,1 000])預(yù)處理為例。

1)提取前景模板：先抽取803 nm的高光譜圖像HIS-803.bmp(圖2(a))，用最大方差自動取閾法二值化后，采用行程標(biāo)記算法標(biāo)記前景區(qū)域，并用面積濾波算法濾除噪聲區(qū)，如果面積小于50像素，那么,從標(biāo)記的前景區(qū)域中濾除該區(qū)域(面積閾值由試驗(yàn)得到)，得到一幀雜草葉片模板圖像mask.bmp(圖2(b))。

圖2 雜草葉片在803 nm的高光譜圖像與模板圖像Fig 2 Hyperspectral images of weed leaves at 803 nm and template image

2)分割前景圖像：再將原始圖像HIS-i.bmp逐幀與模板圖像mask.bmp相匹配，如圖3，得到雜草葉片樣本圖像ROI-i.bmp(i∈[550,1 000])。如果mask.bmp中某像素點(diǎn)為雜草葉片樣本(像素值為255)，則ROI-i.bmp中該像素點(diǎn)為雜草葉片(像素值為HIS-i.bmp中該點(diǎn)的像素值)；否則，ROI-i.bmp中該像素點(diǎn)為背景(像素值為0)。

圖3 雜草葉片在897 nm的高光譜前景圖像Fig 3 Hyperspectral foreground images of weed leaves at 897 nm

3)光譜信息提取: 對預(yù)處理后的高光譜圖像ROI-i.bmp逐幀提取圖像中各前景點(diǎn)的灰度值，并除以255進(jìn)行歸一化處理，作為該圖像在550～1 000 nm波段的反射率,如圖4。

圖4 雜草葉的光譜均值Fig 4 Mean value of spectrum of weed leaves

4 結(jié) 論

本文所集成的凝視型AOTF成像光譜儀能連續(xù)采集被測物體的高光譜圖像，光譜段為550～1 000 nm，光譜分辨率為2～6 nm，圖像分辨率為1 392像素×1 040像素。系統(tǒng)具有良好的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，可以工作于各種復(fù)雜惡劣的自然環(huán)境，可以無人機(jī)載或車載采集多尺度、多分辨率、多角度的高光譜圖像數(shù)據(jù)，在近地遙感平臺上有較高的應(yīng)用價值。

[1] 王建宇,舒 嶸,劉銀年,等．成像光譜技術(shù)導(dǎo)論[M]．北京:科學(xué)出版社，2011：l-3．

[2] 劉石神.聲光可調(diào)濾波器及其在成像光譜儀上的應(yīng)用[J].紅外,2004(7)：12-17．

[3] Georgiev G，Glenard A，Hillman J J．Spectral characterization of acousto-optic filters used in imaging spectroscopy[J]．Applied Optws，2002，41(1)：209-217．

[4] 張春光.基于超光譜成像系統(tǒng)的聲光可調(diào)濾波技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2008.

[5] 趙慧潔,周鵬威,張 穎,等.聲光可調(diào)諧濾波器的成像光譜技術(shù)[J].紅外與激光工程,2009,38(2):189-193.

[6] 王啟超,時家明,趙大鵬,等.基于AOTF的高光譜偏振成像系統(tǒng)設(shè)計[J].光電工程,2013,40(1):66-71.

[7] 劉洪英,李慶利,顧 彬,等.新型分子高光譜成像系統(tǒng)性能分析及數(shù)據(jù)預(yù)處理[J].光譜學(xué)與光譜分析,2012,32(11):3182-3166.

[8] 何梓健,時家明,汪家春,等.AOTF高光譜探測系統(tǒng)對偽裝目標(biāo)的識別研究[J].激光與紅外,2014(7):796-800.

[9] 吳靜珠，吳勝男，劉翠玲,等.近紅外和高光譜技術(shù)用于小麥籽粒蛋白含量預(yù)測探索術(shù)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013,32(2)：60-62.

[10] 薛 堅,于盛林.基于區(qū)域特性選擇的多傳感器圖像融合[J].傳感器與微系統(tǒng)，2008,27(6)：40-46.

[11] 丁言虎.基于聲光可調(diào)濾波器的超光譜成像系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.

[12] 郝永貴.基于聲光可調(diào)諧超光譜成像關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.

[13] 李 濤,葛明鋒,肖功海,等.波長可調(diào)諧凝視型高光譜成像技術(shù)研究[J].紅外，2014,35(6):10-14.

毛文華，通訊作者，E—mail：mwh-924@163.com。

Design of staring type AOTF hyperspectral-imaging system*

LIU Lei, MAO Wen-hua, ZHAO Bo, WANG Hui, YUAN Yan-wei

(Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences,Beijing 100083,China)

A staring type hyperspectral-imaging system is integrated with an AOTF optical element.The hardware system is composed of AOTF and its controller,near infrared camera,lens and computer.The software of system has the function of control of AOTF controller and camera,and preprocess of hyperspectral images using VC++2010 language to call HALCON10.0 library file and AOTF library file.The integrated staring type hyperspectral-imaging spectrometer based on AOTF can continuously capture the hyperspectral images with the spectral range of 550～1 000 nm,the spectral resolution of 2～6 nm,the image resolution of 1 392 pixel× 1 040 pixel.

acousto optical tunable filter(AOTF)； hyperspectral-imaging； staring type

10.13873/J.1000—9787(2016)07—0070—03

2015—10—29

國家自然科學(xué)基金資助項目(31272056)

TP 732.2

A

1000—9787(2016)07—0070—03

劉 磊(1972-)，男，北京人，學(xué)士，高級工程師，主要從事農(nóng)業(yè)電氣化與自動化方面的研究。