基于超光譜成像系統(tǒng)的聲光可調(diào)濾波技術(shù)研究.pdf

1、近年來(lái)，光譜成像技術(shù)在軍事偵察、精細(xì)農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景引起了愈來(lái)愈多研究者的關(guān)注。同時(shí)具備空間分辨能力和光譜分辨能力的光譜成像技術(shù)是圖像分析技術(shù)與光譜分析技術(shù)的完美結(jié)合。
　　有關(guān)分光元件的研究是光譜成像領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。聲光可調(diào)濾波器（Acousto-Optic Tunable Filter，AOTF）是一種新型的分光元件。與傳統(tǒng)分光元件相比，AOTF的優(yōu)點(diǎn)在于：體積小、重量輕，固體結(jié)構(gòu)并且無(wú)活動(dòng)部件，通光孔徑

2、和入射光孔徑很大，衍射效率高，調(diào)諧靈活快速、調(diào)諧范圍寬。這些特性反映出 AOTF應(yīng)用于光譜成像領(lǐng)域的巨大潛力。發(fā)展 AOTF在光譜成像領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成為國(guó)際研究的一大亮點(diǎn)。不可否認(rèn)，基于聲光可調(diào)濾波技術(shù)的光譜成像研究作為一門(mén)前沿應(yīng)用科學(xué)，仍然處于摸索中不斷發(fā)展的進(jìn)程中，很多基本理論和應(yīng)用問(wèn)題有待通過(guò)積極地探索來(lái)完善和解決。我國(guó)在開(kāi)展聲光可調(diào)濾波技術(shù)應(yīng)用于光譜成像領(lǐng)域的研究方面起步較晚，目前未進(jìn)入實(shí)用化階段，仍需要進(jìn)行大量的研究。本文以基

3、于超光譜成像系統(tǒng)的聲光可調(diào)濾波技術(shù)作為主要研究對(duì)象，開(kāi)展了相關(guān)理論研究工作，旨在為聲光可調(diào)濾波技術(shù)在光譜成像領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用起到積極的促進(jìn)作用。
　　首先，本文介紹了光譜成像技術(shù)和聲光可調(diào)濾波器的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展,并分析了聲光可調(diào)濾波器在光譜成像領(lǐng)域應(yīng)用的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，明確了本文的主要研究?jī)?nèi)容和意義。
　　第二，本文詳細(xì)介紹了聲光可調(diào)濾波器的工作原理。聲光可調(diào)濾波器是依賴(lài)于反常聲光布拉格衍射工作的聲光器件。通

4、過(guò)對(duì)相關(guān)基本理論介紹，說(shuō)明了非共線(xiàn)聲光可調(diào)濾波器的工作原理和主要技術(shù)參數(shù)。介紹了非共線(xiàn)聲光作用的切線(xiàn)平行動(dòng)量匹配關(guān)系以及壓電超聲換能器的設(shè)計(jì)方法。這些知識(shí)的介紹為后續(xù)的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　第三，本文針對(duì)應(yīng)用在光譜成像上的TeO2非共線(xiàn)聲光可調(diào)濾波器展開(kāi)了研究。研究指出了以往的TeO2非共線(xiàn)聲光作用關(guān)系存在著明顯誤差。通過(guò)綜合考慮TeO2晶體的雙折射特性和旋光特性，給出了改進(jìn)的非共線(xiàn)聲光作用關(guān)系式。本研究對(duì)于提高非共線(xiàn)聲光可

5、調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)精度很有意義。以改進(jìn)的聲光作用關(guān)系為基礎(chǔ)，依據(jù)聲光可調(diào)濾波器的工作原理，討論了最佳入射光極角的選擇和成像分辨率等非共線(xiàn)聲光可調(diào)濾波器設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，從而建立了一套完整的非共線(xiàn)聲光可調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)方法。
　　第四，本研究進(jìn)一步提出了面向超光譜成像應(yīng)用的高光譜分辨率聲光可調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)理論。超光譜成像系統(tǒng)的良好探測(cè)性能要求作為分光元件的聲光可調(diào)濾波器具有高光譜分辨率。本研究中，以改進(jìn)的非共線(xiàn)聲光相互作用關(guān)系為基礎(chǔ)，給出了

6、TeO2聲光可調(diào)濾波器的光譜分辨率的改進(jìn)計(jì)算式，保障了光譜分辨率的計(jì)算精確度。研究提出了利用兩個(gè)聲光可調(diào)濾波器的適當(dāng)組合來(lái)有效提高光譜分辨率的新方法，即二次濾波法。研究討論了二次濾波法的基本原理，并對(duì)兩個(gè)獨(dú)立聲光可調(diào)濾波器開(kāi)展了具體設(shè)計(jì)。通過(guò)討論二次濾波中影響光譜寬度的因素，發(fā)現(xiàn)在確定參考超聲頻率下增大兩個(gè)聲光濾波器的超聲頻率差可有效提高光譜分辨率。研究還發(fā)現(xiàn)，二次濾波法在光信號(hào)旁瓣抑制方面的顯著作用。針對(duì)聲光衍射效率隨著超聲頻率差的增

7、大而降低的問(wèn)題，研究引入了表示信號(hào)銳度的Q因子。對(duì)Q因子變化規(guī)律的研究表明，超聲頻率差增大到一定程度時(shí)，在確定的參考超聲頻率下存在著Q值的平衡點(diǎn)。平衡點(diǎn)處的光譜寬度明顯地減小，聲光衍射效率保持在較高的水平。本研究證明，二次濾波中引入 Q值平衡點(diǎn)可以作為在保證良好信號(hào)質(zhì)量前提下提高聲光可調(diào)濾波器的光譜分辨率的有效方法。二次濾波法為提高聲光可調(diào)濾波器的光譜分辨率開(kāi)辟了新途徑。
　　最后，本研究開(kāi)展了可見(jiàn)/近紅外高光譜分辨率聲光可調(diào)濾波

8、超光譜成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。研究中詳細(xì)闡述了超光譜成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、具體設(shè)計(jì)過(guò)程以及關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)聲光可調(diào)濾波器成像模塊的設(shè)計(jì)中，利用了二次濾波理論來(lái)實(shí)現(xiàn)超光譜成像系統(tǒng)的高光譜分辨率?；谝壕щ娭挛幌嘌舆t原理，利用液晶位相延遲器設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的偏振控制裝置，使系統(tǒng)具備了目標(biāo)偏振特性的識(shí)別能力。設(shè)計(jì)完成的超光譜成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊牢固，操作靈活方便，整體自動(dòng)化水平高，能滿(mǎn)足眾多應(yīng)用領(lǐng)域的需要。另外，針對(duì)可見(jiàn)/近紅外高光譜分辨率聲光可調(diào)濾波超