基于轻小型无人机的高光谱成像系统研究

发布时间：2017-07-13 17:23

  本文关键词：基于轻小型无人机的高光谱成像系统研究

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【摘要】：高光谱成像技术融合了光谱技术和成像技术,能够同时获取目标的光谱信息和空间信息,已经广泛应用于矿物勘探、农林资源调查、环境监控以及城市规划等诸多领域。但是目前高光谱成像系统的遥感平台仍以卫星和载人机为主,昂贵的使用成本和苛刻的使用条件使诸多中小用户难以承受。轻小型无人机与之相比,拥有使用成本低,实时性好,可以适应较为复杂的使用环境等诸多优点,并且随着近些年轻小型无人机技术的不断发展,也使得其作为遥感平台成为可能。本文基于中国地质调查局在2011年启动的“星空地一体化光谱关键技术研究与设备研制”项目,设计并研制了一套基于轻小型无人机的高光谱成像系统。为了适应轻小型无人机平台的特点,系统设计中主要考虑轻量化,小型化,模块化以及低功耗。该系统共分为五个子系统:电源管理系统,高光谱成像系统,采集控制系统,POS系统以及监视遥控系统。本文的研究内容及取得的研究成果主要包括:对研制的整套系统进行了参数定标和性能测试。为了能够对获取的高光谱数据进行定量化分析,文中对高光谱成像系统进行了光谱定标和辐射定标,并根据定标原理详细的分析了定标精度。同时深入分析了基于单色准直光扫描定标的原理,设计出了一套自动化光谱定标系统,极大的减轻了定标的工作量。发现短波红外高光谱成像仪存在暗背景“温漂”的现象。文中对该现象进行理论分析和实验验证,证明该现象是由仪器自身热辐射引起。最后提出通过准实时去背景的方法减小其影响的方法。根据推扫式成像数据几何校正的方法,分析了姿态位置数据的精度对几何校正精度的影响。并根据获取的无人机平台的姿态位置数据,分析了无人机平台对成像系统的影响以及减小影响的方法。将研制的高光谱成像系统搭载在轻小型柴油无人机上进行了飞行实验,成功获取的高光谱实验数据。对获取的高光谱数据进行几何校正后发现,轻小型柴油无人机震动导致成像的空间分辨率低于系统实际空间分辨率。对凝视型高光谱成像在轻小型电动无人机上的应用进行了可行性分析。根据凝视型高光谱成像原理,分析了无人机平台对光谱信息的影响。提出了通过提取特征点进行图像配准的方法对高光谱数据的光谱信息进行校正,并通过实际的高光谱数据进行了仿真实验。文中以AOTF高光谱成像仪取代了Offner高光成像仪,同时简化了整个系统,最后在电动无人机上实现了飞行实验,获取了相关试验数据。
【关键词】：轻小型无人机 高光谱成像系统 光谱定标 辐射定标 几何校正 光谱校正
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP751;V279
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 绪论14-26
• 1.1 课题背景与研究意义14-15
• 1.2 高光谱成像遥感平台的发展历史及现状15-19
• 1.2.1 高光谱遥感平台分类15-17
• 1.2.2 无人机发展历史与现状17-19
• 1.3 基于轻小型无人机平台的高光谱成像系统发展历史与现状19-24
• 1.4 本文的研究内容与章节安排24-26
• 第二章 高光谱成像的基本原理及关键技术26-38
• 2.1 高光谱成像基本原理26-27
• 2.2 成像技术27-29
• 2.2.1 光机扫描式27
• 2.2.2 推扫式27-28
• 2.2.3 凝视成像型28-29
• 2.3 光学成像系统29
• 2.4 分光技术29-35
• 2.4.1 色散型分光29-32
• 2.4.2 傅立叶干涉型分光32-33
• 2.4.3 滤光片分光33-35
• 2.4.4 衍射光学分光技术35
• 2.5 探测器技术35-36
• 2.6 高速数据采集处理技术36-37
• 2.7 定标技术37
• 2.8 本章小结37-38
• 第三章 基于轻小型无人机机载高光谱成像系统的研制38-64
• 3.1 系统整体设计38-39
• 3.1.1 系统指标38
• 3.1.2 系统整体设计38-39
• 3.2 电源管理系统39-40
• 3.3 高光谱成像系统40-48
• 3.3.1 分光模块40-43
• 3.3.2 望远成像模块43-44
• 3.3.3 探测器模块44-48
• 3.4 数据采集与控制系统48-57
• 3.4.1 控制核心48-49
• 3.4.2 基于Camera Link协议的采集存储板卡49-54
• 3.4.2.1 Camera Link协议简介49-50
• 3.4.2.2 采集存储板卡设计50-54
• 3.4.3 应用软件设计54-57
• 3.4.3.1 无人机机上软件设计54-57
• 3.4.3.2 处理回放软件设计57
• 3.5 姿态位置测量系统57-60
• 3.5.1 惯性导航57-58
• 3.5.2 GPS定位58
• 3.5.3 组合定位58-59
• 3.5.4 POS系统的选取与使用59-60
• 3.6 监视遥测系统60-62
• 3.7 本章小结62-64
• 第四章 系统的定标与测试64-98
• 4.1 空间特性测试64-66
• 4.1.1 空间特性64
• 4.1.2 空间特性测试64-66
• 4.2 光谱定标66-79
• 4.2.1 光谱特性66-69
• 4.2.2 光谱定标原理69-70
• 4.2.3 光谱定标系统设计70-74
• 4.2.4 光谱定标结果74-77
• 4.2.5 光谱定标精度分析77-79
• 4.3 辐射定标79-87
• 4.3.1 辐射定标原理80
• 4.3.2 辐射定标实现80-83
• 4.3.3 辐射定标结果83-86
• 4.3.4 辐射定标精度分析86-87
• 4.4 系统信噪比测试87-89
• 4.4.1 信号与噪声87-88
• 4.4.2 信噪比测量88-89
• 4.5 仪器热辐射对高光谱成像仪性能的影响89-95
• 4.5.1 仪器热辐射与目标功率信号89-92
• 4.5.2 实验设计与结果分析92-93
• 4.5.3 仪器热辐射对系统成像性能的影响及解决方法93-95
• 4.5.3.1 仪器热辐射对系统输出动态范围的影响93-94
• 4.5.3.2 准实时暗背景采集降低仪器热辐射影响94-95
• 4.5 基于“运五”飞机的推扫成像实验95-97
• 4.6 本章小结97-98
• 第五章 低空推扫成像几何校正分析98-122
• 5.1 推扫成像原理98-100
• 5.1.1 构像原理98
• 5.1.2 平台姿态变化与几何形变98-100
• 5.2 低空推扫成像几何校正与精度分析100-109
• 5.2.1 内、外方位元素100-104
• 5.2.2 严格几何校正原理与算法实现104-106
• 5.2.3 几何校正精度106-109
• 5.2.3.1 POS系统参数精度影响106-108
• 5.2.3.2 视准轴偏差的影响108-109
• 5.3 无人机姿态不稳定的影响及解决方法109-115
• 5.3.1 无人机姿态平台特性分析109-112
• 5.3.2 无人机姿态变化对成像的影响及解决方法112-115
• 5.4 外场推扫成像实验及数据校正115-121
• 5.4.1 基于轻小型柴油无人直升机推扫成像实验115-119
• 5.4.1.1 实验条件115-116
• 5.4.1.2 实验结果及校正图像116-117
• 5.4.1.3 校正结果分析117-119
• 5.4.2 基于轻小型电动无人直升机的推扫成像实验119-121
• 5.4.2.1 实验条件119-120
• 5.4.2.2 实验结果与分析120-121
• 5.5 本章小结121-122
• 第六章凝视型高光谱成像仪在无人直升机平台上应用分析122-146
• 6.1 凝视型高光谱成像仪与无人机平台122-124
• 6.2 图像配准在光谱校正中的应用124-136
• 6.2.1 图像配准124-131
• 6.2.1.1 特征点提取125-129
• 6.2.1.2 特征匹配129-131
• 6.2.1.3 空间变换矩阵估计131
• 6.2.2 光谱校正131-136
• 6.2.2.1 序列图像配准131-132
• 6.2.2.2 波段间的相关性分析132-135
• 6.2.2.3 光谱校正的实现135-136
• 6.3 模拟成像实验及结果分析136-140
• 6.4 无人直升机悬停技术指标分析140-141
• 6.5 高光谱成像系统的改进及实验飞行141-144
• 6.5.1 凝视型高光谱成像系统的改进141
• 6.5.2 外场飞行实验及结果分析141-144
• 6.6 本章小结144-146
• 第七章 总结与展望146-148
• 7.1 本文的主要工作和创新146-147
• 7.2 不足与展望147-148
• 参考文献148-153
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果153

【参考文献】

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