中小型无人机载光谱成像系统研究

 共1页  1 

光谱成像技术是光谱分析和图像分析技术完美结合的产物，可利用物体表面成分的光谱差异，凭借“图谱合一”的技术优势对被测物体进行光谱识别，在目标侦察、信息探测、资源勘探、海洋和现代农业遥感等领域具有重要应用价值和广泛的应用前景。随着中小型无人机的快速发展，借助于小型化无人机平台的机载光谱成像系统在战场情报探测、监视和侦察中发挥着越来越重要的角色。

目前市场上的机载光谱相机基本被欧美国家垄断，并大多采用色散型、干涉型等光谱成像技术方式，该类产品受制于技术特点，存在的问题主要有：①体积和重量较大；②对搭载平台的飞行姿态要求较高；③无法实现光谱数据实时下传和分析。基于液晶可调滤光器的机载光谱成像系统采用面阵凝视成像模式，可同时获取高空间分辨率和高光谱分辨率数据，具备体积小、重量轻、功耗低、光路结构简单、对搭载平台要求低等优点，在中小型无人机载遥感应用中发挥着重要作用。

在2015年度，项目组以研制小型化高质量机载光谱成像系统为目标，首先开展了快响应液晶材料合成和特性研究，其次从快驱动、宽覆盖范围、高光谱分辨等方面对液晶可调滤光器结构和性能进行了改进和优化，最后完善了机载光谱成像设备的工程化设计和加工，研制了不同体积、质量(3，8，18 kg)满足实际飞行平台环境的机载光谱成像系统，实现了光谱图像的准实时下传和光谱图像的快速分析处理功能。

1  快响应与高双折射率液晶材料合成和特性研究取得新进展

利用聚合物网络液晶实现了快速响应液晶材料的合成，聚合物网络液晶的光散射和高电压加载下的瞬态响应是制约其进行相位调制的关键因素。从聚合物网络形貌的角度对其光散射特性和瞬态响应进行了研究，认为聚合物网络形貌是决定其光学性质的根本原因，结合单体分子结构、液晶溶剂和聚合反应条件，采用大介电各向异性、高粘度液晶溶剂，从控制聚合物网络形貌的角度实现较好的快响应相位调制器。如图1，2所示。

2  液晶可调滤光器研制获得新突破

通过对液晶可调滤光器的结构、驱动方式和加工集成工艺的改进和优化等措施，使液晶可调滤光器的性能得到了大幅提升，光谱覆盖范围从400~1700 nm，提高到400~ 2500 nm，光谱通带半高宽从20 nm提高到5 nm，实现了从多光谱调制到高/超光谱调制的跨越，带外抑制比提高到1000:1，响应速度提高到20~40 ms，光谱透过均匀性和相应的透过率均获得较大改善。 如表1所示。

3  光谱成像系统工程化取得新进展

通过TEC主动温控技术，目前器件和系统的工作温度适应能力可以满足-20~50℃环境的应用需求；通过整体结构优化和机械设计、电路优化设计使得系统满足了振动、冲击和电磁干扰的应用环境要求。同时针对不同应用飞行平台，研制了不同体积、重量(3，8，18 kg)并满足实际飞行平台环境的机载光谱成像系统。如图3所示。

4  光谱成像系统实现了准实时光谱图像下传和处理

    机载光谱成像系统庞大的光谱图象数据流无法通过现有的机载数传通道实现实时下传，项目组通过“数字图像转视频流—视频流实时下传—视频流转数字信号”的技术手段国内首次实现了光谱图像的准实时下传功能，并利用研发的实时光谱图像处理软件实现了光谱图像的快速分析处理和目标识别的功能。该技术方案已在多款光谱成像系统样机上完成了工程化测试，并取得了良好的测试结果。