凝视型AOTF高光谱成像系统设计*

刘 磊， 毛文华， 赵 博， 王 辉， 苑严伟

(中国农业机械化科学研究院，北京 100083)

凝视型AOTF高光谱成像系统设计*

刘 磊， 毛文华， 赵 博， 王 辉， 苑严伟

(中国农业机械化科学研究院，北京 100083)

以声光可调谐滤波器(AOTF)为分光元件，集成了一种凝视型AOTF高光谱成像系统。系统硬件由AOTF及其控制器、CCD近红外相机、镜头、计算机组成，系统软件采用VC++2010语言，调用机器视觉算法包HALCON10.0的库文件和AOTF的库文件，实现对AOTF控制器和相机操作的控制及高光谱图像预处理。所集成的AOTF的凝视型光谱成像系统能连续采集被测物体的高光谱图像，光谱段为550～1 000 nm，光谱分辨率为2～6 nm，图像分辨率为1 392像素×1 040像素。

声光可调谐滤波器； 高光谱成像； 凝视型

0 引 言

高光谱成像技术是一种基于方位和光谱的三维信息探测技术，能够在连续光谱段上对同一目标连续成像，产生一个图谱合一的“图像立方体”， 是目前重要的被动遥感探测手段之一，被广泛应用于植被遥感、海洋遥感、矿物勘察、环境监测等领域。目前，成像光谱仪主要有摆扫式、推扫式、窗扫式和凝视式四种方法实现空间成像。其中，凝视式高光谱成像仪使用面阵探测器依次记录二维空间各个波段的图像数据，不需要采用动镜或通过平台移动实现空间维成像，成为一个新的研究热点[1]。

声光可调谐滤波器(acousto optical tunable filter，AOTF)是一种新型的分光器件，利用声光衍射原理，采用声光调制产生单色光，即通过超声射频的变化实现光谱扫描[2,3]。基于AOTF的凝视式成像光谱仪具有波长任意选择、光谱分辨率高、波段调谐快、体积小、无运动部件、环境适应性好等诸多优点，能够满足紧凑、轻量和可编程的光谱成像需求，更适用于近地平台观测，成为国内外的研究热点[4～13]。因此，本文以AOTF为分光元件，集成了一种凝视型AOTF高光谱成像系统。

1 系统硬件

集成的凝视型AOTF高光谱成像系统采用AOTF进行电调谐滤光，能同时获得被观测对象丰富的空间维和光谱维信息。系统硬件由AOTF及其控制器、CCD近红外相机、镜头、计算机组成(如图1所示)。被测对象的反射光通过镜头入射到AOTF中，AOTF控制器产生射频电信号作用到AOTF上；经过AOTF后，所选择的光谱波段的光被近红外相机探测到，形成了对应光谱波段的光谱图像，并存储到计算机中；计算机控制AOTF控制器和近红外相机。

1)AOTF及其控制器：AOTF中TeO2晶体一端的换能器在射频信号作用下激励晶体表面产生超声波，在晶体表面形成衍射光栅，影响通过晶体表面光波的传播，这样,通过改变射频信号源频率大小就可以改变通过AOTF的光波波长，从而有目的选择光谱波长，达到分光目的。选用的美国Brimrose 公司CVA200—.55—1.0—L型AOTF及其控制器，波长范围550～1 000 nm，光谱分辨率2～6 nm， 射频频率92～185 MBZ。

图1 凝视型AOTF高光谱成像系统硬件组成示意图和实物图Fig 1 Diagram and physical map of hardware composition staring type AOTF hyperspectral imaging system

2)CCD近红外相机：与AOTF相配的相机需快速采集550～1 000 nm光谱范围内的高分辨率图像。因此，选用了日本JAI公司的BM—141GE型近红外黑白相机，相机Sony ICX—285 2/3"逐行扫描CCD传感器，有效分辨率1 392像素×1 040像素，全帧帧速率30帧/s。该相机可以对近红外光响应，灵敏度0.03 lx，具有常规芯片在945 nm波长约4倍的光敏度；可以改善微透镜技术，以实现更高的整体灵敏度和低smear特点。

3)计算机：AOTF控制器通过串口与计算机相连，接收计算机发送的命令；近红外相机通过千兆网接口与计算机相连，接收计算机发送的命令并发送数据到计算机存储。

2 系统软件

采用VC++2010语言编写系统软件，调用德国MVtec公司的机器视觉算法包HALCON10.0的库文件halcon.lib和halconcpp.lib中的函数，以及AOTF的库文件SpfIIDll.lib中的函数，实现对AOTF控制器和相机操作的控制。

1)检测设备：检测AOTF控制器和相机的链接和开关状态，如果无误，相机状态显示为OK。主要调用如下函数实现：

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);∥打开相机

2)参数设置：设置AOTF的扫描模式、频率等参数。

SetScanMode(SCAN_MODE_STOP);∥设置扫描模式为单次扫描模式

SetScanInterval(dInterval);∥扫描时间间隔为多少秒，缺省为1 s

SetSweep(uiChannel,dStart,dStop,dInc)；∥设置工作通道的起始和停止频率及频率增量。

3)开始采集：AOTF开始以设定的间隔时间，从设置的起始频率开始调谐波长，依据设置的频率增量递增频率，直至设置的停止频率为止。每次频率的调谐时间为设定的扫描时间间隔。每隔调谐一次频率，采集一帧该频率所对应波长下的图像并保存。开始采集后，在系统工作状态栏中显示已采集的图像帧数、正在扫描的波段、采集时间。

SendRun(true);∥AOTF开始调谐滤波

grab_image_async(&CaptureImg,AcqHandle,-1);∥采集1帧图像

write_image(CaptureImg,“jpeg”,0,filename);∥保存图像

3 光谱数据处理与分析

高光谱图像的预处理以杂草叶片的高光谱图像HIS-i.bmp(i∈[550,1 000])预处理为例。

1)提取前景模板：先抽取803 nm的高光谱图像HIS-803.bmp(图2(a))，用最大方差自动取阈法二值化后，采用行程标记算法标记前景区域，并用面积滤波算法滤除噪声区，如果面积小于50像素，那么,从标记的前景区域中滤除该区域(面积阈值由试验得到)，得到一帧杂草叶片模板图像mask.bmp(图2(b))。

图2 杂草叶片在803 nm的高光谱图像与模板图像Fig 2 Hyperspectral images of weed leaves at 803 nm and template image

2)分割前景图像：再将原始图像HIS-i.bmp逐帧与模板图像mask.bmp相匹配，如图3，得到杂草叶片样本图像ROI-i.bmp(i∈[550,1 000])。如果mask.bmp中某像素点为杂草叶片样本(像素值为255)，则ROI-i.bmp中该像素点为杂草叶片(像素值为HIS-i.bmp中该点的像素值)；否则，ROI-i.bmp中该像素点为背景(像素值为0)。

图3 杂草叶片在897 nm的高光谱前景图像Fig 3 Hyperspectral foreground images of weed leaves at 897 nm

3)光谱信息提取: 对预处理后的高光谱图像ROI-i.bmp逐帧提取图像中各前景点的灰度值，并除以255进行归一化处理，作为该图像在550～1 000 nm波段的反射率,如图4。

图4 杂草叶的光谱均值Fig 4 Mean value of spectrum of weed leaves

4 结 论

本文所集成的凝视型AOTF成像光谱仪能连续采集被测物体的高光谱图像，光谱段为550～1 000 nm，光谱分辨率为2～6 nm，图像分辨率为1 392像素×1 040像素。系统具有良好的可靠性和环境适应性，可以工作于各种复杂恶劣的自然环境，可以无人机载或车载采集多尺度、多分辨率、多角度的高光谱图像数据，在近地遥感平台上有较高的应用价值。

[1] 王建宇,舒 嵘,刘银年,等．成像光谱技术导论[M]．北京:科学出版社，2011：l-3．

[2] 刘石神.声光可调滤波器及其在成像光谱仪上的应用[J].红外,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] 张春光.基于超光谱成像系统的声光可调滤波技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2008.

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[6] 王启超,时家明,赵大鹏,等.基于AOTF的高光谱偏振成像系统设计[J].光电工程,2013,40(1):66-71.

[7] 刘洪英,李庆利,顾 彬,等.新型分子高光谱成像系统性能分析及数据预处理[J].光谱学与光谱分析,2012,32(11):3182-3166.

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[10] 薛 坚,于盛林.基于区域特性选择的多传感器图像融合[J].传感器与微系统，2008,27(6)：40-46.

[11] 丁言虎.基于声光可调滤波器的超光谱成像系统的实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2011.

[12] 郝永贵.基于声光可调谐超光谱成像关键技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2009.

[13] 李 涛,葛明锋,肖功海,等.波长可调谐凝视型高光谱成像技术研究[J].红外，2014,35(6):10-14.

毛文华，通讯作者，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

国家自然科学基金资助项目(31272056)

TP 732.2

A

1000—9787(2016)07—0070—03

刘 磊(1972-)，男，北京人，学士，高级工程师，主要从事农业电气化与自动化方面的研究。