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3D打印高光谱成像仪为无人机提供先进成像能力
作者:cmh        来源:北方科技信息研究所 
日期:2018-04-01    阅读次数:397
副标题:

       据 白子龙 综合报道,挪威一个研究小组成功使用 3D 打印技术制造出高光谱成像仪,该成像仪具有轻便和低成本的特点,适合安装在无人机上,以提供先进成像能力。低成本的 3D 打印高光谱成像仪,适用于无人机的陆地和海洋测绘。研究人员提供了构建成像仪的组件,有效地降低并推广了成像仪的分析技术。          
       高光谱成像仪与传统彩色相机产生图像相似,但可以检测数百种颜色,而不是普通相机检测到的三种颜色(RGB)。高光谱图像的每个像素都包含覆盖整个可见光谱的信息,这些信息可提供大量有用数据用于如自动检测、物体分类或分析海洋的颜色梯度以检测有害藻类。传统的高光谱成像仪成本约数万美元,并且体积庞大而沉重。          
       光谱学一直以来存在着构造色散或折射元件的难题,如光栅或棱镜,这类元件使输入光束弯曲。通常制造这类元件支架需要具有多轴自由度的机器。例如,制造一个透射光栅支架至少需要一台4轴铣床。与传统的制造方法相比,3D 打印机使用增材制造(AM),可以轻松构建具有多角度或表面更复杂的部件。此外,用金属加工元件非常耗时且昂贵,而使用塑料进行 3D 打印价格低廉,非常适合制作复杂的零件,因此,该研究团队使用了一台桌面 3D 打印机,为该光学设备定制如用于固定分散光线的光栅所需的支架。打印过程通过层叠蜂窝状表层,提供了高强度和低重量结构特点。后者对于针对无人机操作的低重量有效载荷具有明显优势。          
       研究人员详细介绍了可见波长的高光谱成像仪的制作流程,其重量不到 226g,成本仅为 700 美元。他们还证明,这些成像仪可以有效地用于无人机以获取光谱图像。这意味着高光谱成像仪可用于绘制大面积地形,例如,无需租用飞机来携带昂贵而大型的仪器。该高光谱成像仪采用了“推扫技术(push-broom technique)”,使用精确的线扫描来建立光谱图像。研究人员在装置中增加了一个稳定系统,防止无人机运动干扰图像生成。推扫式高光谱成像仪通常需要昂贵的定向稳定性,而基于陀螺仪的电子稳定系统在确保稳定性的同时大大降低了成本。          
       研究人员通过使用 3D 打印制作了多个原型,用于制造塑料支架,以精确定位小型、轻型商用相机和光学元件。对配备了双轴电子稳定系统的 Octocopter 无人机载仪器进行测试,结果表明,高光谱成像仪性能良好,能够检测如植被和水体等景观特征。研究人员还对高光谱成像仪和三轴电子稳定系统进行了手持式测试。其中一个实验,用成像仪扫过显示水果的计算机屏幕,结果在22秒内获取 571 个光谱图。          
       这些可行性测试表明,3D 打印足够精确,可以用作光学系统的原型部件。对无人机尤为重要的是,打印的塑料部件重量轻、强度高,足以保持整个系统的轻巧灵便。 经过测试,3D 打印的金属部件可以按需订购,以制造更耐用的成像仪。          
       虽然新的成像仪不能提供传统高光谱成像仪的灵敏度,但它们的性能足以在日光下测绘地形或检测海洋颜色。研究人员目前正致力于制作稍大一些的仪器来提高灵敏度,这些仪器仍然轻便,可用于无人机,提高成像仪的灵敏度将大大提高数据的质量。         

    
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