留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

可见/近红外实时成像光谱仪控制系统设计

吴长坤 张为 郝亚喆

吴长坤, 张为, 郝亚喆. 可见/近红外实时成像光谱仪控制系统设计[J]. 中国光学(中英文), 2022, 15(2): 348-354. doi: 10.37188/CO.2021-0119
引用本文: 吴长坤, 张为, 郝亚喆. 可见/近红外实时成像光谱仪控制系统设计[J]. 中国光学(中英文), 2022, 15(2): 348-354. doi: 10.37188/CO.2021-0119
WU Chang-kun, ZHANG Wei, HAO Ya-zhe. Design of a control system for a visible/near-infrared real-time imaging spectrometer[J]. Chinese Optics, 2022, 15(2): 348-354. doi: 10.37188/CO.2021-0119
Citation: WU Chang-kun, ZHANG Wei, HAO Ya-zhe. Design of a control system for a visible/near-infrared real-time imaging spectrometer[J]. Chinese Optics, 2022, 15(2): 348-354. doi: 10.37188/CO.2021-0119

可见/近红外实时成像光谱仪控制系统设计

doi: 10.37188/CO.2021-0119
基金项目: 光电信息控制和安全技术重点实验室资助项目(No. JCKY2019210C053);泉州天津大学集成电路及人工智能研究院开放研究基金项目
详细信息
    作者简介:

    吴长坤(1991—),男,山东东营人,博士研究生,2013年、2016年于天津工业大学分别获得学士、硕士学位,主要从事光学控制系统设计、图像压缩及高速串行通信接口的VLSI实现等方面的研究。E-mail:tjuwuck@tju.edu.cn

    张 为(1975—),男,陕西西安人,博士,教授,博士生导师,1997年、2000年、2002年于天津大学分别获得学士、硕士、博士学位,主要从事光电目标探测与跟踪、数字信号处理VLSI与通信系统设计、计算机视觉和图像处理等方面的研究。E-mail:tjuzhangwei@tju.edu.cn

    郝亚喆(1997—),女,河北邯郸人,硕士研究生,2019年于东北大学获得学士学位,主要从事图像压缩关键模块硬件优化及硬件加速方面的研究。E-mail:haoyazhe@tju.edu.cn

  • 中图分类号: TN47

Design of a control system for a visible/near-infrared real-time imaging spectrometer

Funds: Supported by the Key Laboratory of Optoelectronic Information Control and Security Technology (No. JCKY2019210C053); Tianjin University Open Research Foundation of Institute of Integrated Circuits and Artificial Intelligence in Quanzhou
More Information
  • 摘要: 针对高光谱成像需求,设计了一套可见/近红外实时成像光谱仪。光谱仪基于声光可调谐滤波器(Acousto-Optic Tunable Filter , AOTF)分光器件进行设计,光谱带宽为1.3 μm,其中可见光相机工作在400~1000 nm波段,近红外相机工作在1000~1700 nm波段。光谱仪控制系统以现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)为核心处理单元,使用Cameralink接口采集相机数据,使用RS422串口对AOTF进行频率控制,通过AOTF同步信号与相机外触发信号相结合,实现了连续图像与多波长循环采集的一一对应,图像数据最后经过USB3.0接口传输到上位机进行实时显示。经外场测试,光谱仪成像质量良好,系统工作稳定,针对1024×1024分辨率图像,图像实时传输速率最高可达120 frame/s,满足设计要求。在实际工程应用中,该控制系统接口丰富,且可靠性高、灵活性好,具有较强的可扩展性。

     

  • 图 1  AOTF原理图

    Figure 1.  Schematic diagram of the AOTF

    图 2  成像光谱仪结构示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of the imaging spectrometer structure

    图 3  (a)控制系统示意图及(b)控制系统PCB板图

    Figure 3.  Schematic diagram (a) and PCB drawing (b) of control system

    图 4  光谱仪测试现场

    Figure 4.  Test-site of the spectrometer

    图 5  可见光相机在不同波段的测试结果

    Figure 5.  Experimental results of the visible light camera at different wavebands

    图 6  近红外相机在不同波段的测试结果

    Figure 6.  Experimental results of the near-infrared camera atdifferent wavebands

  • [1] 常凌颖, 赵葆常, 邱跃洪, 等. 声光可调谐滤波器成像光谱仪光学系统设计[J]. 光学学报,2010,30(10):3021-3026. doi: 10.3788/AOS20103010.3021

    CHANG L Y, ZHAO B CH, QIU Y H, et al. Optical design of imaging Spectrometer based on acousto-optic tunable filter[J]. Acta Optica Sinica, 2010, 30(10): 3021-3026. (in Chinese) doi: 10.3788/AOS20103010.3021
    [2] 赵慧洁, 程宣, 张颖. 用于火星探测的声光可调谐滤波器成像光谱仪[J]. 光学 精密工程,2012,20(9):1945-1952. doi: 10.3788/OPE.20122009.1945

    ZHAO H J, CHENG X, ZHANG Y. Design of acousto-optic imaging spectrometer for mars exploration[J]. Optics and Precision Engineering, 2012, 20(9): 1945-1952. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20122009.1945
    [3] 赵慧洁, 宋汪洋, 张颖, 等. 声光可调谐滤波器成像光谱仪实时预处理系统[J]. 中国光学,2013,6(4):577-583.

    ZHAO H J, SONG W Y, ZHANG Y, et al. Real-time pre-processing system of AOTF imaging spectrometer[J]. Chinese Optics, 2013, 6(4): 577-583. (in Chinese)
    [4] 曹佃生, 石振华, 林冠宇. 机载海洋改进型Dyson高光谱成像仪的研制[J]. 光学 精密工程,2017,25(6):1403-1409. doi: 10.3788/OPE.20172506.1403

    CAO D SH, SHI ZH H, LIN G Y. Development of airborne ocean modified Dyson hyperspectral imager[J]. Optics and Precision Engineering, 2017, 25(6): 1403-1409. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20172506.1403
    [5] 张佳伦, 郑玉权, 蔺超, 等. 消像散的自由曲面棱镜光谱仪光学系统设计[J]. 中国光学,2020,13(4):842-851. doi: 10.37188/CO.2019-0049

    ZHANG J L, ZHENG Y Q, LIN C, et al. Design of a freeform curved prism imaging spectrometer based on an anastigmatism[J]. Chinese Optics, 2020, 13(4): 842-851. (in Chinese) doi: 10.37188/CO.2019-0049
    [6] 樊星皓, 刘春雨, 金光, 等. 轻小型高分辨率星载高光谱成像光谱仪[J]. 光学 精密工程,2021,29(3):463-473. doi: 10.37188/OPE.20212903.0463

    FAN X H, LIU CH Y, JIN G, et al. Small and high-resolution spaceborne hyperspectral imaging spectrometer[J]. Optics and Precision Engineering, 2021, 29(3): 463-473. (in Chinese) doi: 10.37188/OPE.20212903.0463
    [7] 罗刚银, 王弼陡, 陈玉琦, 等. 可见近红外波段无人机载成像光谱仪设计[J]. 光子学报,2017,46(9):930001. doi: 10.3788/gzxb20174609.0930001

    LUO G Y, WANG B D, CHEN Y Q, et al. Design of visible near infrared imaging spectrometer on unmanned aerial vehicle[J]. Acta Photonica Sinica, 2017, 46(9): 930001. (in Chinese) doi: 10.3788/gzxb20174609.0930001
    [8] 刘世界, 李春来, 徐睿, 等. 电子式多狭缝组合编码高光谱成像系统[J]. 光学学报,2020,40(1):0111026. doi: 10.3788/AOS202040.0111026

    LIU SH J, LI CH L, XU R, et al. Hyperspectral imaging system using electronic multi-slot combination coding[J]. Acta Optica Sinica, 2020, 40(1): 0111026. (in Chinese) doi: 10.3788/AOS202040.0111026
    [9] 刘济帆, 马艳华, 张雷, 等. 基于AOTF的新型成像光谱系统[J]. 红外与激光工程,2013,42(11):3065-3069. doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2013.11.035

    LIU J F, MA Y H, ZHANG L, et al. New hyperspectral imaging system based on AOTF[J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(11): 3065-3069. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2013.11.035
    [10] NAG S, HEWAGAMA T, GEORGIEV G T, et al. Multispectral snapshot imagers onboard small satellite formations for multi-angular remote sensing[J]. IEEE Sensors Journal, 2017, 17(16): 5252-5268. doi: 10.1109/JSEN.2017.2717384
    [11] 张瑞, 陈友华, 李世伟, 等. 基于双AOTF的新型成像光谱偏振探测系统[J]. 光谱学与光谱分析,2016,36(5):1549-1553.

    ZHANG R, CHEN Y H, LI SH W, et al. The research of spectral polarization imaging detection system based dual-AOTFs[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2016, 36(5): 1549-1553. (in Chinese)
    [12] 姜庆辉, 邱跃洪, 文延, 等. AOTF偏振光谱成像数据采集系统设计[J]. 红外与激光工程,2012,41(1):218-222. doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2012.01.042

    JIANG Q H, QIU Y H, WEN Y, et al. Design of data acquisition system for AOTF polarization spectral imaging instrument[J]. Infrared and Laser Engineering, 2012, 41(1): 218-222. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2012.01.042
    [13] 陈明惠, 贾文宇, 何锦涛, 等. 双重滤波扫频光源的研制[J]. 光学 精密工程,2018,26(10):2355-2362. doi: 10.3788/OPE.20182610.2355

    CHEN M H, JIA W Y, HE J T, et al. Development of swept source based on dual filtering[J]. Optics and Precision Engineering, 2018, 26(10): 2355-2362. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20182610.2355
    [14] 成桂梅, 刘涛, 荣鹏, 等. 多探测器数据控制与处理系统设计[J]. 红外与激光工程,2016,45(4):0420002. doi: 10.3788/irla201645.0420002

    CHENG G M, LIU T, RONG P, et al. Design of multi-detector data control and processing system[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(4): 0420002. (in Chinese) doi: 10.3788/irla201645.0420002
    [15] 王跃明, 韦丽清, 郎均慰, 等. 先进焦平面与光谱成像技术现状[J]. 光学与光电技术,2014,12(1):7-13. doi: 10.3969/j.issn.1672-3392.2014.01.002

    WANG Y M, WEI L Q, LANG J W, et al. Status of advanced focal plane arrays and spectral imaging technology[J]. Optics &Optoelectronic Technology, 2014, 12(1): 7-13. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1672-3392.2014.01.002
    [16] SHARMA A M, DOGRA A, GOYAL B, et al. From pyramids to state-of-the-art: a study and comprehensive comparison of visible-infrared image fusion techniques[J]. IET Image Processing, 2020, 14(9): 1671-1689. doi: 10.1049/iet-ipr.2019.0322
    [17] 杨福臻, 陈新华, 赵知诚, 等. 面向小行星探测的可见-红外光谱成像光学系统[J]. 光学学报,2020,40(7):0722002. doi: 10.3788/AOS202040.0722002

    YANG F ZH, CHEN X H, ZHAO ZH CH, et al. Visible-infrared imaging spectrometer for the exploration of asteroids[J]. Acta Optica Sinica, 2020, 40(7): 0722002. (in Chinese) doi: 10.3788/AOS202040.0722002
    [18] 冯蕾, 魏立冬, 杨雷, 等. 双通道曲面棱镜高光谱成像系统设计[J]. 光学学报,2019,39(5):0511002. doi: 10.3788/AOS201939.0511002

    FENG L, WEI L D, YANG L, et al. Design of double-channel hyperspectral imaging system based on curved prism[J]. Acta Optica Sinica, 2019, 39(5): 0511002. (in Chinese) doi: 10.3788/AOS201939.0511002
    [19] HE ZH P, WANG B Y, LV G, et al.. Visible and near-infrared imaging spectrometer (VNIS) for Chang'E-3[C]. Proceedings of SPIE 9263, Multispectral, Hyperspectral, and Ultraspectral Remote Sensing Technology, Techniques and Applications V, SPIE, 2014: 92630D.
    [20] 陈洋君, 吴志勇, 崔明, 等. 基于MAX9259/MAX9260的CameraLink图像数据光纤传输技术[J]. 中国光学,2018,11(6):1017-1023. doi: 10.3788/co.20181106.1017

    CHEN Y J, WU ZH Y, CUI M, et al. CameraLink image data fiber transmission technology based on MAX9259/MAX9260[J]. Chinese Optics, 2018, 11(6): 1017-1023. (in Chinese) doi: 10.3788/co.20181106.1017
  • 加载中
图(6)
计量
  • 文章访问数:  1256
  • HTML全文浏览量:  541
  • PDF下载量:  180
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-06-04
  • 修回日期:  2021-07-13
  • 网络出版日期:  2021-08-16
  • 刊出日期:  2022-03-21

目录

    /

    返回文章
    返回

    重要通知

    2024年2月16日科睿唯安通过Blog宣布,2024年将要发布的JCR2023中,229个自然科学和社会科学学科将SCI/SSCI和ESCI期刊一起进行排名!《中国光学(中英文)》作为ESCI期刊将与全球SCI期刊共同排名!