四通道可见光光谱相机的设计

冯 姗，曾祥忠

(西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安 710121)

引言

多光谱技术是上个世纪60年代涌现出的一门新兴的探测技术,是遥感技术的重要支撑，它主要应用于农业，军事，生物，地质湖泊的探测[1]。获得多光谱图像的技术相较于传统的成像技术——在特定的谱段成像,得到某一谱段的光谱信息，解决了同种颜色下不同光谱的问题，获取到更多场景的信息量,多光谱相机需要对各个谱段的进行成像，随后进行合成[2]，完成对一幅场景的全面探测。

利用光谱技术采集到的图像包含了一幅场景的空间分布、辐射强度、光谱的三重信息，是一个三维数据立方体[3]。光谱技术和图像采集技术的结合，使得超、高、多光谱相机的应用更加广泛。超、高光谱图像包含波段数多，系统庞大复杂，波谱段之间相关性很强，不便于分割[4]；信息的存储量大，实际应用中有时无需如此精密的数据。因此多光谱相机的多个波段的光谱信息完全满足应用需求，相机系统操作简便。丹麦著名的相机制造商JAI公司研制出了AD-130GE多光谱相机[5]，采用棱镜分光技术得到多个谱段的图像，分辨率为1 296×966像素，帧率为31 fps。目前国内实验研究中用到的多光谱相机大多基于滤光片阵列分光[6],滤光片轮式多光谱相机[7]，前者将多个波段的滤光片排列成滤光片阵列放置在成像探测器前进行采集,后者将特定波段的滤光片制作成滤光片轮，每拍一张转动滤光片轮，进行下一次拍摄。这些结构都会造成辐射性能有差异，多个波段图像无法同步采集。

本文设计出的四波段可见光多光谱相机，小型化设计满足无人机搭载条件，使用波段少，光谱信息损失最少，各个波段都易于分离。同时具有空间相机空间几何性好的性质，获取目标物空间二维信息，同时获取该目标物的光谱信息。使得光谱分辨率与空间分辨率结合，可得到目标物的完整信息。

1 多光谱相机光学系统与结构设计

30多年来，成像光谱技术[8]一直是研究的热点，在全球范围内都开发出了各具特色的成像系统，目前多光谱相机分为以下两类结构。

多镜头多相机组合型[9]。采用多个镜头、多个相机捆绑组成，镜头前方放置滤光片或滤光片轮，相应波谱段的光束通过，同一瞬间，几个镜头拍摄同一待测目标景物，获取不同谱段的图像信息，随后进行图像处理，获得完整的光谱信息。各通道之间的视轴准直，图像的配准比较困难。

图1 多镜头多相机组合型Fig.1 Multi-lens multi-camera combination

单镜头棱镜分光型[10]。采用一个镜头成像，光学分光光路，用多个三棱镜分光器将来自景物的光线分离为若干波段的光束，在出射面处放置感光面分别记录各个波段的光谱信息。美国生产的MS4100高分辨率3CCD照相机系统。光谱范围为300 nm～1 100 nm，分辨率为1 920(H)×1 080(V)像素，它是基于RGB和CIR结构，每个通道都能独立进行触发拍照。分光系统由3块棱镜组成，如图2所示。每个出射面处都放有一块滤光片，让对应波段的光通过。一束宽波段的光束经过棱镜分光系统，在第一块棱镜单元，绿光被反射，其他光束通过，在第二块棱镜单元，红光被反射，剩余光束通过。这束宽波段的光被分成了红光、绿光和近红外光。

图2 MS4100分光式相机结构图Fig.2 MS4100split-type camera structure

两类结构中，多镜头和多CCD光谱相机由于自身结构，镜头(相机)处于同一水平位置，成像不具备一致性，重叠精度和成像质量差，重叠的处理时间也较长。本文采取单镜头棱镜分光型结构的光谱相机，其优点是：结构简单，图像重叠精度高；瞬时获取4幅图像，便于观测动态图像，不受时间偏差影响；各波段的光谱独立成像，有利于提取感兴趣波段的图像。

2 四通道可见光多光谱相机设计

本文设计的四通道可见光光谱相机是一款集光学、机械、电子、机器视觉融为一体的多光谱相机。它的设计包含了光路设计，结构设计，图像采集系统设计。相机的分光方式决定相机系统的分光性能及硬件结构设计[11]。

2.1 光路设计

采用立方体棱镜分光光路设计。多光谱相机最早采用的分光方式是棱镜分光技术和光栅分光技术[12]，这两种方式也是最为可靠的分光方式。相对于色散性较大，设计较为复杂的光栅分光方式，本文设计的相机系统采用立方体棱镜分光，如图3所示。其优点是：无论是时间上还是空间上，易于实现像素级的对准，不会造成光程差，形成干涉级，谱线亮度很好，能量比较集中。

图3 棱镜分光系统Fig.3 Prism splitting system

图3中，立方体分光棱镜尺寸为S1=25 mm，相邻立方体棱镜之间距离S2=6 mm，传感器与立方体分光棱镜距离S3=6 mm，成像镜头与第一块立方体分光棱镜之间距离为S4=12 mm。

2.1.1 光程

光程差即为两束光光程之差，是将光传播的几何距离与光波的振动性质整合在一起的重要物理量，光程是光传播的几何路径S与所在截止折射率n的乘积，表示为

(1)

光程差即为两束光光程的差值，其表达式为

(2)

四通道相机光学系统中，4个传感器采集到的光信息，几何路径S以及截止折射率n一致，四通道相机中空气截止折射率n0，立方体棱镜采用K9光学玻璃制成，其截止折射率为n1，相机单通道光程L可表示为：L=2n0S1+n0S2+n0S3。理论上，4个通道光程一致，不存在光程差，由于相机安装时存在一定误差，因此，S4≈0.2 mm,S3≈0.2 mm，光程差ΔL≈0.6 mm。

2.1.2 镜头机械后截距(BFL)

镜头机械后截距相当于相机后焦距，选择合适的后截距，相机系统即可清晰成像，四通道相机后截距L=2S1+S4+S2+S3=74 mm；根据设计，选取合适的V接口镜头。

采用3块分光比为1∶1的棱镜分光器，将待测物的总光束分隔为4束光束，棱镜的出射面放置带有特定波段滤光片的感光面接收信号，记录各个波段光谱信息。相较于一般的分光镜都会引起5%左右的分光偏差，采用胶合面镀有1:1分光膜的立方体分光棱镜，立方体分光不会引起光程差和光轴偏移。光束进入镜头后，在第一块棱镜单元处进行1∶1分光，一半折射一半透射，这两束光光强为初始光束的1/2，在透射面及折射面处各放置一块1:1分光棱镜再次进行分光，4束光的光强均为原始光束的1/4，光束成分完全相同，在4个出射面都固定有感光面接收光信号。

2.2 光机结构设计

本文设计的四通道多光谱相机内部结构如图4所示。相机外部尺寸为117 mm× 100 mm×74 mm，相机的质量为1 043 g。根据相机的分光系统设计硬件结构框架，尺寸足够放置总支架，电路板,接插件等，小型化设计满足无人机搭载条件，相机内部结构采用框架支撑。

图4 相机结构设计Fig.4 Camera structure design

3块立方体棱镜尺寸为25 mm×25 mm×25 mm，放置在定制好的框架内，用光学专用胶固定，稳定性、抗震性好。安装在无人机上对地面进行观测时，可防止震动产生的成像误差。框架结构通过相机前后面板进行固定。

2.3 技术支撑

1) EUREKA系列ELS-80/4.0V接口镜头

选取浩蓝V系列接口镜头，如图5和图6所示。一般用于工业相机靶面较大或特殊用途的镜头大多使用专业的Schneider(施奈德)镜头，本文设计使用的是采用V接口的镜头，靶面尺寸为78 mm，以保证靶面尺寸大于感光片尺寸,即可获取到完整的图像信息，后截距为69.2 mm～89.04 mm，满足结构设计要求。

图5 ELS-8/4.0V镜头Fig.5 ELS-8/4.0V lens

图6 镜头尺寸Fig.6 Lens dimension

镜头响应波段(400 nm～1000 nm),在此波段上光谱相机接收到的太阳辐射能量强,图像信噪比高[13],更易去除图像中的噪点。

2) 多光谱相机滤光片光谱段选择

四通道多光谱相机的研究是在可见光的基础上采集特定波段的光谱信息。物体组成成分与结构是不同的，它们的光谱特性[14]也不尽相同。可能在某一个特定的波段是相似的，在别的波段又是不同的。选用3个适合于观测农业、植被、环境的波段[15]。选取最优的谱段组[16]可以获得最大的目标信息量，本文设计的四通道多光谱相机，采集4幅图像，红，绿，蓝和全光谱。波段之间的关联性小，可更好地辨认目标物体。

3块滤光片均为窄带滤光片，中心波长分别为460 nm、530 nm、650 nm。带宽约为50 nm，滤光片各波段通过率如图7所示。

图7 蓝、绿、红波段滤光片通过率(从左至右为蓝、绿、红)Fig.7 Pass rate of blue, green, and red band filters(blue, green, red from left to right)

3 电路设计

相机系统的电路设计满足4个通道图像数据同步采集。FPGA控制器同时驱动4个图像传感器，实现4个通道像素级同步，曝光完全一致。

图8 相机系统电路设计Fig.8 Circuit design of camera system

多光谱相机系统中，通过外部触发实现4个CMOS同步采集。光线通过镜头进入四通道可见光光谱相机系统时，经过分光系统将光束分为4份，通过安装在感光片前的滤光片来滤除其他波段的光束，采集特定波段的图像。成像元件CMOS根据光线的不同将光信号转化为数字信号，再通过FPGA芯片进行处理。将获得的目标图像经cameralink芯片差分输出。

四通道可见光光谱相机的硬件设计主要包括功能芯片的选型，FPGA模块与感光面CMOS的接口设计，同步触发电路设计。电路板主要由3部分组成，FPGA图像处理板，转接板，插口板，各个板独立作用，降低干扰性。四通道可见光光谱相机是将全色图像采集技术与光谱图像采集技术相结合的一款相机系统，最终设计的相机实物如图9所示。

图9 四通道可见光光谱相机Fig.9 Four-channel visible-spectrum camera

4 测试与验证

选择相机的3个光路通道，在其CMOS前放置红、绿、蓝3个波段的窄带滤光片。相机安装完成后，固定在支架上，借助直流电源为相机系统供电，相机与计算机通过cameralink数据线连接，计算机内带有siliconsoftwareIV系列采集卡，随后开始进行实验。

检验每个通道图像的成像情况时，设定分辨率后进行单幅图，2幅图、3幅图、4幅图的成像。均可成像后，验证了相机系统的各个通道完好。

实验阶段主要在地面进行，白炽灯作为光源，将相机安装在支架上对远处的植物进行成像。实验初期，并未出现期望图像，随后调整后截距，用硬质钢型材进行固定后，光圈调至最大，能观测到物体。并且各个波段通过软件能够成像，采集到4个波段的图像，单帧的图像分辨率为1 280×720 pixel,如图10所示。

图10 采集的图像Fig.10 Acquired image

5 结论

四通道可见光光谱相机小型化设计的目的是，使其满足无人机搭载条件，更方便进行遥感探测。相机镜头的成像范围为400 nm～1 000 nm，相机系统灵活，可任意更换该波段范围内的滤光片进行系统的定制。相机系统的光路设计采用立体棱镜分光设计，避免引起5%左右的分光偏差，无论是时间上还是空间上，都更易于实现像素级的对准，便于进行后续的图像处理。同时相机满足4个通道同步采集，FPGA控制器同时驱动4个图像传感器进行同步采集，避免时延造成的成像误差。

随着机载系统从研究阶段走上实用化、商业化。本文设计的四通道可见光光谱相机将适用于植被的遥感探测，用于观测植物的生长状态，健康状况及成长条件等。