本文關(guān)鍵詞：基于AOTF的光譜偏振成像系統(tǒng)及其成像質(zhì)量研究　出處：《中北大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：光譜偏振成像(SpectroPolarimetric Imaging,SPI)技術(shù)是一種集空間、光譜和偏振三維一體的現(xiàn)代光電測(cè)量技術(shù),在太空探測(cè)、地物遙感、化學(xué)分析、國(guó)防軍事等光電探測(cè)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。液晶相位可變延遲器(Liquid Crystal Variable Retarde,LCVR)和聲光可調(diào)諧濾光器(Acousto-Optic Tunable Filter,AOTF)作為SPI中相位調(diào)制和光譜選擇的核心部件,其工作特性直接影響整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精確性和穩(wěn)定性。其中,AOTF色散引起的系統(tǒng)成像質(zhì)量下降、不同波長(zhǎng)圖像清晰度差異,是造成系統(tǒng)實(shí)用性下降的重要因素。因此,如何提高系統(tǒng)成像質(zhì)量、如何實(shí)現(xiàn)在不同波長(zhǎng)下圖像始終清晰,進(jìn)而使所成圖像為目標(biāo)物體在該波長(zhǎng)下的真實(shí)灰度圖像,是以AOTF為分光器件的光譜偏振成像系統(tǒng)需要解決的重要科學(xué)問(wèn)題。論文基于以LCVR和AOTF為核心的新型高光譜全偏振成像系統(tǒng)的工作原理及成像特點(diǎn),對(duì)系統(tǒng)的成像質(zhì)量進(jìn)行研究,開(kāi)發(fā)出了高成像質(zhì)量的光譜偏振成像驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)。首先,研究了AOTF色散對(duì)SPI成像質(zhì)量的影響機(jī)理。根據(jù)AOTF中TeO2晶體的色散特性,從成像角度分析了二次成像機(jī)理下不同波長(zhǎng)衍射光成像清晰與鏡頭焦距的關(guān)系,提出了系統(tǒng)中加入自動(dòng)調(diào)焦的方案;針對(duì)系統(tǒng)衍射方向上出現(xiàn)光譜展寬的問(wèn)題,從不同波長(zhǎng)衍射光的衍射偏轉(zhuǎn)角和衍射效率兩方面分析了光譜展寬的成因。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了AOTF色散對(duì)SPI成像質(zhì)量的影響機(jī)理。為改善SPI成像質(zhì)量提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。其次,研究了一種基于LCVR和AOTF的高光譜全偏振成像新技術(shù)。基于斯托克斯(Stokes)參量偏振態(tài)測(cè)量理論,建立了LCVR和AOTF的偏振模型及二者的穆勒(Mueller)矩陣。使用AOTF、LCVR以及兩個(gè)CCD相機(jī),搭建了對(duì)±1級(jí)衍射光成像的高光譜全偏振成像系統(tǒng),闡述了該系統(tǒng)的工作原理,推導(dǎo)了該系統(tǒng)的全Stokes矢量測(cè)量模型,分析了LCVR快軸與X軸夾角,以及相位延遲量的微小變化對(duì)系統(tǒng)誤差的影響。再次,為減小AOTF色散對(duì)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響,提出了針對(duì)LCVR和AOTF的SPI成像特點(diǎn)的自動(dòng)調(diào)焦圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)函數(shù)。在研究了多種圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)系統(tǒng)成像特點(diǎn),提出了只考慮非衍射方向上的亮度相關(guān)度、對(duì)比度相關(guān)度的改進(jìn)型基于行的結(jié)構(gòu)相似度(Effective Line-based Structure Similarity Index Measurement,ELSSIM)評(píng)價(jià)函數(shù)。運(yùn)用ELSSIM和灰度差分兩種評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)不同波長(zhǎng)、不同焦距下系統(tǒng)所成圖像進(jìn)行驗(yàn)證,得出了ELSSIM算法具有速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。結(jié)合自動(dòng)調(diào)焦搜索算法完成控制系統(tǒng)硬件及程序設(shè)計(jì)。最后,將自動(dòng)調(diào)焦方法與SPI相結(jié)合,搭建了具有自動(dòng)調(diào)焦功能的光譜偏振成像系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行光譜偏振成像。結(jié)果表明,該系統(tǒng)在不同波長(zhǎng)下成像質(zhì)量達(dá)到最佳,驗(yàn)證了本文提出的自適應(yīng)自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)在系統(tǒng)中的實(shí)用性;通過(guò)分析目標(biāo)的光譜特性和偏振特性,實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的準(zhǔn)確識(shí)別。
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP391.41;O436.3

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本文編號(hào)：1327387