本發(fā)明涉及一種自動曝光調節(jié)系統(tǒng)及調節(jié)方法，屬于多光譜相機自動控制技術領域。

背景技術：

多光譜成像系統(tǒng)通常有以下幾種成像方式：多探測器多鏡頭成像方式、光束分離成像方式、微型窄帶濾光片陣列成像方式、漸變?yōu)V光片成像方式、濾光片轉輪成像方式。采用濾光片轉輪成像方式設計的多光譜成像系統(tǒng)僅采用一個光學系統(tǒng)，具有同一光路的優(yōu)勢，通過探測器前濾光片轉輪的轉動來變換濾光片，獲取多波段圖像。轉輪式多光譜相機的優(yōu)勢是濾光片可更換，應用靈活，能適用不同的應用場合，已被應用于工業(yè)檢測、航空遙感等領域。由于濾光片的中心波長和譜段寬度不同，探測器接收的光能量值差別比較大，成像時需要進行自動曝光控制。自動曝光一般包括光亮度測量、場景(信號)分析和曝光補償這三個步驟。

相機自動曝光通常有兩種實現(xiàn)方式：一種是光學方式，一種是電子學方式。光學方式使用一個單獨的傳感器來測量光亮度，圖像信息則通過圖像傳感器得到，這樣成像系統(tǒng)將用于顯示存儲的圖像信息與圖像的亮度信息分開單獨處理。

光學方式自動曝光根據(jù)測光傳感器的安放位置不同分為外測光和內測光兩種方式。外測光方式通常將測光傳感器安裝在光學鏡頭的正上方或者斜上方，用于測量光亮度的光路和用于成像的光路是彼此分開獨立的，常用的方法為基于環(huán)境光傳感器感測環(huán)境光條件并由曝光設置器利用環(huán)境光條件的指示來選擇曝光設置。內測光方式常在鏡頭和焦平面快門之間呈45°角放置一塊可以向上彈起和向下復位的主反光鏡。當處于測光狀態(tài)時，由鏡頭入射進來的光線經主反射鏡和后續(xù)的對焦屏、聚焦透鏡及反光棱鏡后照射到測光傳感器上和取景器中，供測光傳感器測光和取景。

電子學方式自動曝光則將圖像傳感器輸出的信號同時用于測量光照度。基于拍攝的圖像的實際灰度值判斷所處狀態(tài)對曝光值進行調整的方法已被廣泛應用。

在電子學自動曝光方式下，用于測量當前環(huán)境亮度情況的信號直接來自圖像傳感器輸出的信號，這樣不再需要另加測光傳感器，結構簡單，實現(xiàn)容易，但測量處理速度較慢。對于轉輪式多光譜相機，在轉輪的轉速較快時使用該方法會因為曝光延時影響正常成像。在光學自動曝光方式下，放置與轉輪之外的測光方式只能測得外部光強，不能得到當前濾光片的光強信息；測光傳感器和成像探測器放置在一起的測光方式，會增加濾光片尺寸，使整個系統(tǒng)體積變大。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，提出一種轉輪式多光譜相機自動曝光調節(jié)系統(tǒng)及調節(jié)方法，可以有效解決目前轉輪式多光譜相機自動曝光調節(jié)面臨的不同譜段圖像合理曝光的問題。

本發(fā)明的技術解決方案是：一種轉輪式多光譜相機自動曝光調節(jié)系統(tǒng)，包括：濾光輪、光學鏡頭、成像探測器、測光器件、信號處理單元、控制單元、數(shù)據(jù)記錄單元；光學鏡頭放置在濾光輪一側，成像探測器、測光器件放置在濾光輪另一側；

濾光輪包含轉輪裝置和濾光片，濾光輪上的濾光片均勻分布，濾光輪在旋轉過程中，成像探測器和測光器件同時分別與濾光輪上兩個相鄰的濾光片中心位置對應；濾光輪轉輪裝置中安裝有光電傳感器，測量濾光片是否到達成像探測器位置，并將濾光片的位置信息發(fā)送給控制單元；

光學鏡頭使用透射式光學鏡頭，入射光線經光學鏡頭匯聚后由濾光輪上的濾光片濾光，投射到成像探測器上；

成像探測器接收經過濾光輪上濾光片濾光后的入射光，通過曝光時間和增益調節(jié)曝光量，成像探測器接收控制單元的曝光參數(shù)設置信號改變曝光參數(shù)，在控制單元的控制下采集圖像并輸出至數(shù)據(jù)記錄單元；

測光器件安裝有鏡頭，測光器件的鏡頭與光學鏡頭光軸平行；測光器件接收透過濾光片的入射光信號，轉換為電流信號傳輸?shù)叫盘柼幚韱卧?/p>

信號處理單元接收測光器件輸入的電流信號，根據(jù)已標定的測光器件電流與光亮度的關系得出透過濾光片的光亮度數(shù)據(jù)，并將光亮度數(shù)據(jù)發(fā)送給控制單元；

控制單元存儲有光亮度數(shù)據(jù)與成像探測器的曝光時間和增益的關系數(shù)據(jù)表，根據(jù)信號處理單元發(fā)送的光亮度數(shù)據(jù)計算出濾光片對應譜段所需的曝光參數(shù)，曝光參數(shù)包括成像探測器的曝光時間和增益；控制單元將曝光參數(shù)設置信號發(fā)送至成像探測器，在濾光輪轉至成像位置時，控制成像探測器對曝光參數(shù)進行設置并控制成像探測器采集圖像，同時控制單元將譜段信息發(fā)送給數(shù)據(jù)記錄單元；

數(shù)據(jù)記錄單元記錄成像探測器輸出的圖像數(shù)據(jù)和控制單元發(fā)送的譜段信息數(shù)據(jù)。

所述成像探測器為全局電子快門面陣CMOS成像探測器或全局電子快門面陣CCD成像探測器，通過成像探測器的曝光時間和增益調節(jié)曝光量。

所述測光器件采用硅光電二極管或硅光電池。

一種轉輪式多光譜相機自動曝光調節(jié)方法，包括步驟如下：

步驟一、將光學鏡頭放置在濾光輪一側，成像探測器、測光器件放置在濾光輪另一側；調整成像探測器和測光器件的位置，使得成像探測器和測光器件同時分別與濾光輪上兩個相鄰的濾光片中心位置對應；驅動濾光輪開始轉動；

步驟二、濾光輪將濾光片位置信息發(fā)送給控制單元，控制單元檢測濾光輪上濾光片是否到達成像和測光位置；

步驟三、當控制單元檢測到濾光輪中的某一個濾光片A中心與成像探測器位置對應時，測光器件測量透過濾光輪中濾光片A相鄰的下一個濾光片B的光信號并將透過濾光片B的光信號轉換為電流信號傳輸?shù)叫盘柼幚韱卧恍盘柼幚韱卧邮諟y光器件輸入的電流信號，根據(jù)已標定的測光器件電流與光亮度的關系得出透過濾光片的光亮度數(shù)據(jù)，并將光亮度數(shù)據(jù)發(fā)送給控制單元，控制單元根據(jù)光亮度數(shù)據(jù)與成像探測器的曝光時間和增益的關系數(shù)據(jù)表以及此時信號處理單元輸出的光亮度數(shù)據(jù)計算得出濾光片B對應譜段成像時成像探測器需要的曝光時間和增益參數(shù)并進行記錄；

步驟四、利用控制單元查詢?yōu)V光片A對應譜段是否已在濾光輪轉動的上一個位置進行了測光：若已測光，則根據(jù)測光后控制單元得出的曝光參數(shù)控制成像探測器曝光成像，并由數(shù)據(jù)記錄單元記錄濾光片A對應譜段的圖像數(shù)據(jù)和譜段信息數(shù)據(jù)；若未測光，則成像探測器不曝光成像；曝光參數(shù)包括成像探測器的曝光時間和增益；

步驟五、驅動濾光輪循環(huán)轉動，重復步驟二～步驟四，數(shù)據(jù)記錄單元記錄入射光通過濾光片后各譜段采集的圖像數(shù)據(jù)和對應的譜段信息數(shù)據(jù)，直至完成對所有譜段圖像數(shù)據(jù)的采集和記錄。

所述成像探測器為全局電子快門面陣CMOS成像探測器或全局電子快門面陣CCD成像探測器，通過成像探測器的曝光時間和增益調節(jié)曝光量。

所述測光器件采用硅光電二極管或硅光電池。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明采用外測光的方式對透過濾光片的光亮度進行測量，根據(jù)透過濾光片的光亮度進行曝光調節(jié)，能夠滿足轉輪式多光譜相機應用，尤其是濾光片可更換應用需求；具有調節(jié)速度快、適應范圍廣的優(yōu)點；

(2)本發(fā)明測光器件和成像器件安裝位置對應兩個相鄰的濾光片，通過濾光輪的旋轉控制測光和相機曝光過程?？杀苊鉁y光器件安裝時的濾光片尺寸增加，測光器件安裝靈活，且控制簡單。

附圖說明

圖1為一種轉輪式多光譜相機自動曝光調節(jié)系統(tǒng)組成示意圖；

圖2為一種轉輪式多光譜相機自動曝光調節(jié)方法框圖。

具體實施方式

如圖1所示，一種轉輪式多光譜相機自動曝光調節(jié)系統(tǒng)，包括濾光輪、光學鏡頭、成像探測器、測光器件、信號處理單元、控制單元、數(shù)據(jù)記錄單元。

濾光輪包含轉輪裝置和濾光片，濾光輪上的濾光片均勻分布。濾光輪由電機驅動，轉輪裝置中安裝有光電傳感器測量濾光片是否到達成像探測器位置，并將濾光片的位置信息發(fā)送給控制單元。

光學鏡頭使用透射式光學鏡頭，光學鏡頭放置在濾光輪前端。入射光線經光學鏡頭匯聚后由濾光輪上的濾光片濾光，投射到成像探測器上。

成像探測器選擇全局電子快門面陣CMOS成像探測器或全局電子快門面陣CCD成像探測器，通過成像探測器曝光時間和增益調節(jié)曝光量。成像探測器接收控制單元的曝光參數(shù)設置信號改變曝光參數(shù)，在控制單元的控制下采集圖像并輸出。

測光器件選擇硅光電二極管或硅光電池，并在測光器件前端安裝配套鏡頭。測光器件的鏡頭與光學鏡頭光軸平行。測光器件接收透過濾光片的光信號，轉換為電流信號傳輸?shù)叫盘柼幚韱卧?。測光器件硅光電二極管輸出的電流值與透過濾光片的光亮度成線性關系。

信號處理單元對輸入的測光器件電流信號進行處理，根據(jù)已標定的測光器件電流與光亮度的關系得出透過濾光片的光亮度數(shù)據(jù)，發(fā)送給控制單元。

控制單元使用DSP電路板，其中存儲有光亮度數(shù)據(jù)與成像探測器的CMOS探測器曝光時間和增益的關系數(shù)據(jù)表，根據(jù)光亮度信息計算出濾光片對應譜段所需的曝光參數(shù)，包括成像探測器的曝光時間和增益?？刂茊卧刂茷V光輪、成像探測器、測光器件、數(shù)據(jù)記錄單元工作的同步。控制單元在濾光輪轉至測光器件位置時，記錄信號處理單元發(fā)送光亮度數(shù)據(jù)和測光譜段信息；同時在濾光輪轉至成像位置時，對成像探測器曝光參數(shù)進行設置并控制成像探測器采集圖像，同時將譜段信息發(fā)送給數(shù)據(jù)記錄單元。

數(shù)據(jù)記錄單元記錄成像探測器輸出的圖像數(shù)據(jù)和控制單元發(fā)送的譜段信息數(shù)據(jù)。

濾光輪、光學鏡頭、成像探測器、測光器件的放置位置和濾光輪的旋轉方向使濾光輪的某一濾光片A中心和成像探測器中心位置對應時，濾光輪的下一個相鄰的濾光片B的中心和測光器件的位置對應。濾光輪在旋轉過程中，成像探測器和測光器件會同時分別和兩個相鄰的濾光片中心位置對應。濾光片B后端的測光器件測量透過濾光片的光信號，經信號處理單元處理后將光亮度信息傳輸給控制單元?？刂茊卧鶕?jù)測量的光亮度信息計算出濾光片B對應譜段所需的曝光參數(shù)。若此時濾光片A對應譜段曝光參數(shù)已知，則控制成像探測器采集圖像并由數(shù)據(jù)記錄單元進行記錄；若濾光片A對應譜段曝光參數(shù)未知，則成像探測器不采集圖像。當濾光輪旋轉使濾光片B和成像探測器的位置對應時，控制單元控制成像探測器按需要的曝光量曝光成像并由數(shù)據(jù)記錄單元進行記錄；同時測量透過下一個濾光片C的光亮度信息。在濾光輪的循環(huán)轉動過程中，通過對各濾光片對應譜段先測光、后曝光，使多光譜相機各譜段都能夠合理曝光。

一種轉輪式多光譜相機自動曝光調節(jié)方法，如圖2所示，具體步驟如下：

1)轉輪式多光譜相機開始工作后，濾光輪開始循環(huán)轉動。

2)濾光輪將位置信息發(fā)送給控制單元，控制單元檢測濾光輪是否到達成像和測光位置。

3)當控制單元檢測到濾光輪中的一個濾光片A中心與成像探測器位置對應時，測光器件測量透過濾光輪中濾光片A相鄰的下一個濾光片B的光信號，信號處理單元對測光器件輸出的電流信號進行處理，并把處理后得出的光亮度信息發(fā)送給控制單元，控制單元根據(jù)此時信號處理單元輸出的光亮度信息計算得出濾光片B對應譜段成像時成像探測器需要的曝光時間和增益參數(shù)并進行記錄。

4)控制單元查詢?yōu)V光片A對應譜段是否已在濾光輪轉動的上一個位置測光。若已測光，則根據(jù)測光后控制單元得出的曝光參數(shù)信息控制成像探測器曝光成像，并由數(shù)據(jù)記錄單元記錄濾光片A對應譜段的圖像數(shù)據(jù)和譜段信息數(shù)據(jù)；若未測光，則成像探測器不曝光成像。

5)濾光輪循環(huán)轉動，重復步驟2)～步驟4)，數(shù)據(jù)記錄單元記錄各譜段采集的圖像數(shù)據(jù)和對應的譜段信息數(shù)據(jù)，直至多光譜相機停止工作。

本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。