【摘要】：基于聲光可調(diào)諧濾光器(Acousto-optic tunable filter,AOTF)的凝視型成像光譜儀因光譜選擇靈活可調(diào)、采樣間隔可控、波長(zhǎng)掃描快速等諸多優(yōu)點(diǎn),在可見(jiàn)紅外波段遙感信息獲取,深空行星探測(cè)等航空航天技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。但因其基于時(shí)間序列光譜掃描特性,相比于光柵型、傅里葉變換型等分光機(jī)制而言,由于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的姿態(tài)、位置不穩(wěn)定等因素導(dǎo)致光譜數(shù)據(jù)立方體存在像移,即相同探測(cè)目標(biāo)在不同譜段的光譜數(shù)據(jù)不重疊,導(dǎo)致同一地物目標(biāo)的空間信息和光譜信息不一一對(duì)應(yīng),影響獲取目標(biāo)的光譜純度及定量反演的精度。而與此同時(shí),AOTF晶體自身由于聲光非線性效應(yīng)導(dǎo)致的色散漂移特性,即不同譜段的衍射出射角隨著晶體加載驅(qū)動(dòng)頻率的改變而改變,導(dǎo)致獲取的目標(biāo)光譜圖像存在橫向的漂移,同樣影響目標(biāo)光譜數(shù)據(jù)立方體的重構(gòu)。基于此課題背景,本文對(duì)這兩種因素導(dǎo)致的譜段間的不重疊問(wèn)題進(jìn)行分析,探索利用兩種橫向位移相互抵消的方法實(shí)現(xiàn)基于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的AOTF成像光譜儀的譜段失配補(bǔ)償機(jī)制。本文首先對(duì)AOTF型成像光譜儀波段失配分析問(wèn)題進(jìn)行分析,利用動(dòng)量匹配定律對(duì)AOTF晶體的聲光互作用分光機(jī)理進(jìn)行了理論分析,概述了影響AOTF晶體成像質(zhì)量的主要光學(xué)性能參數(shù),建立了AOTF晶體的數(shù)學(xué)物理模型,接著對(duì)AOTF晶體的色散漂移特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析,通過(guò)數(shù)值分析計(jì)算,證明了利用AOTF色散漂移特性進(jìn)行像移補(bǔ)償在理論上具備可行性。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)方面,以航空和航天平臺(tái)為例,分析了實(shí)際應(yīng)用時(shí)積分時(shí)間、平臺(tái)姿態(tài)、位置穩(wěn)定度、指向精度等參數(shù)對(duì)譜段漂移量的大小以及全視場(chǎng)范圍內(nèi)像移一致性的影響,分析結(jié)果表明,在姿態(tài)、位置穩(wěn)定和較短的積分時(shí)間的情況下,各個(gè)譜段之間的圖像失配主要體現(xiàn)在水平位移量,大小約十幾個(gè)像元,從而為利用AOTF晶體漂移的水平位移補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的水平位移提供了有利條件。針對(duì)AOTF晶體的色散漂移特性,設(shè)計(jì)了基于圖像處理的高精度AOTF衍射出射角測(cè)試裝置。首先,闡述了所采用的圖像處理算法的基本原理,對(duì)于獲取不同譜段圖像的水平漂移量,分別采用了基于尺度不變特征轉(zhuǎn)換(Scale-invariant feature transform,SIFT)的特征點(diǎn)匹配算法和基于Hough變換的幾何形狀檢測(cè)算法得到。通過(guò)兩種算法得到的漂移量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相互對(duì)照,最終得到波長(zhǎng)在450nm~800nm的-1級(jí)衍射光的波長(zhǎng)-衍射出射角曲線。從AOTF晶體聲光衍射角的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā),設(shè)計(jì)了基于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的AOTF成像光譜儀譜段配準(zhǔn)方案。首先,根據(jù)指標(biāo)參數(shù)設(shè)計(jì)了AOTF型成像光譜儀系統(tǒng)。其次,設(shè)計(jì)了不同目標(biāo)位置的光譜配準(zhǔn)方案和固定平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度的光譜配準(zhǔn)方案,闡述了成像采集驅(qū)動(dòng)控制的具體實(shí)現(xiàn)方法,并搭建了配準(zhǔn)方案原理驗(yàn)證裝置,通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析建立起了目標(biāo)位置-衍射波段-衍射角對(duì)應(yīng)關(guān)系,最終實(shí)現(xiàn)基于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的目標(biāo)光譜數(shù)據(jù)立方體的獲取,并對(duì)所獲取的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)精度評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,該方法能夠很好的滿足將AOTF成像光譜儀數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到0.3像元以?xún)?nèi)的要求。最后給出了一些不足的地方和對(duì)未來(lái)研究的展望與建議。
【圖文】：

在航天探測(cè)領(lǐng)域，基于 AOTF 晶體的單點(diǎn)探測(cè)光譜儀取得了比較廣泛下面選取比較有代表性的典型應(yīng)用和實(shí)際用途進(jìn)行概述。第一臺(tái)基于 AOTF 型航天應(yīng)用的光譜儀來(lái)自蘇聯(lián)/俄羅斯 1988 年發(fā)ean-O 系列地球觀測(cè)衛(wèi)星上搭載的 AOS 光譜儀（Acousto-opticalspectrome覆蓋可見(jiàn)波段 430nm-800nm，主要用于海洋水體成分檢測(cè)如 SO2等[35]空局（ESA）在 2003 年發(fā)射的火星快車(chē)衛(wèi)星（Mars Express），其中搭I(lǐng)CAM（SpectroscopyforInvestigationofCharacteristicsoftheAtmosphereof儀器[36][37][38]，其工作波段分為兩大段，紫外譜段覆蓋范圍為 118nm~320n分采用光柵分光；紅外譜段覆蓋范圍為 1.0μm~1.7μm，，使用 AOTF 分光固態(tài)、可靠性高、重量輕體積小等優(yōu)點(diǎn)，最終儀器重量為 4.7 千克，實(shí) 1.3 所示，紅外通道的光學(xué)原理圖如圖 1.4 所示。紅外譜段主要用于檢氣中的水蒸氣[39]。其技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如表 1.3 所示，光譜探測(cè)曲線如圖 1

圖 1.4 SPICAM 紅外通道光學(xué)原理圖Figure 1.4 Optical schematic for SPICAM infrared channel表 1.3 SPICAM 紅外譜段技術(shù)參數(shù)Table 1.3 Technical parameters for SPICAM of infrared channel波長(zhǎng)范圍 1.0 μm~1.7 μm光譜分辨率0.5 nm @1.0 μm1.2 nm @1.7μm or better than 4 cm-1視場(chǎng)角 1°望遠(yuǎn)鏡 透鏡型，Φ30mm；焦距 40 mmAOTFTeO2效率 70%（偏振光入射）孔徑 3.6×3.6 mm2,±3.5°RF 驅(qū)動(dòng)頻率 85-150 MHz，0.5-2.5 W探測(cè)器InGaAs（Hamamatsu G5832-11）尺寸 Φ 1mm0.5nm~1.2nm光學(xué)透過(guò)率 20%NER ~3×10-9Wcm-2sr-1
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：P237

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2659807