【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、波長掃描快速等諸多優(yōu)點,在可見紅外波段遙感信息獲取,深空行星探測等航空航天技術(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制而言,由于運動平臺的姿態(tài)、位置不穩(wěn)定等因素導致光譜數(shù)據(jù)立方體存在像移,即相同探測目標在不同譜段的光譜數(shù)據(jù)不重疊,導致同一地物目標的空間信息和光譜信息不一一對應(yīng),影響獲取目標的光譜純度及定量反演的精度。而與此同時,AOTF晶體自身由于聲光非線性效應(yīng)導致的色散漂移特性,即不同譜段的衍射出射角隨著晶體加載驅(qū)動頻率的改變而改變,導致獲取的目標光譜圖像存在橫向的漂移,同樣影響目標光譜數(shù)據(jù)立方體的重構(gòu)�；诖苏n題背景,本文對這兩種因素導致的譜段間的不重疊問題進行分析,探索利用兩種橫向位移相互抵消的方法實現(xiàn)基于運動平臺的AOTF成像光譜儀的譜段失配補償機制。本文首先對AOTF型成像光譜儀波段失配分析問題進行分析,利用動量匹配定律對AOTF晶體的聲光互作用分光機理進行了理論分析,概述了影響AOTF晶體成像質(zhì)量的主要光學性能參數(shù),建立了AOTF晶體的數(shù)學物理模型,接著對AOTF晶體的色散漂移特性進行了詳細的分析,通過數(shù)值分析計算,證明了利用AOTF色散漂移特性進行像移補償在理論上具備可行性。運動平臺方面,以航空和航天平臺為例,分析了實際應(yīng)用時積分時間、平臺姿態(tài)、位置穩(wěn)定度、指向精度等參數(shù)對譜段漂移量的大小以及全視場范圍內(nèi)像移一致性的影響,分析結(jié)果表明,在姿態(tài)、位置穩(wěn)定和較短的積分時間的情況下,各個譜段之間的圖像失配主要體現(xiàn)在水平位移量,大小約十幾個像元,從而為利用AOTF晶體漂移的水平位移補償運動平臺的水平位移提供了有利條件。針對AOTF晶體的色散漂移特性,設(shè)計了基于圖像處理的高精度AOTF衍射出射角測試裝置。首先,闡述了所采用的圖像處理算法的基本原理,對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)的特征點匹配算法和基于Hough變換的幾何形狀檢測算法得到。通過兩種算法得到的漂移量實驗數(shù)據(jù)相互對照,最終得到波長在450nm~800nm的-1級衍射光的波長-衍射出射角曲線。從AOTF晶體聲光衍射角的實驗數(shù)據(jù)出發(fā),設(shè)計了基于運動平臺的AOTF成像光譜儀譜段配準方案。首先,根據(jù)指標參數(shù)設(shè)計了AOTF型成像光譜儀系統(tǒng)。其次,設(shè)計了不同目標位置的光譜配準方案和固定平臺運動速度的光譜配準方案,闡述了成像采集驅(qū)動控制的具體實現(xiàn)方法,并搭建了配準方案原理驗證裝置,通過對實驗數(shù)據(jù)的處理分析建立起了目標位置-衍射波段-衍射角對應(yīng)關(guān)系,最終實現(xiàn)基于運動平臺的目標光譜數(shù)據(jù)立方體的獲取,并對所獲取的光譜數(shù)據(jù)進行配準精度評價。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)配準到0.3像元以內(nèi)的要求。最后給出了一些不足的地方和對未來研究的展望與建議。
【圖文】：

在航天探測領(lǐng)域，基于 AOTF 晶體的單點探測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)用和實際用途進行概述。第一臺基于 AOTF 型航天應(yīng)用的光譜儀來自蘇聯(lián)/俄羅斯 1988 年發(fā)ean-O 系列地球觀測衛(wèi)星上搭載的 AOS 光譜儀（Acousto-opticalspectrome覆蓋可見波段 430nm-800nm，主要用于海洋水體成分檢測如 SO2等[35]空局（ESA）在 2003 年發(fā)射的火星快車衛(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，最終儀器重量為 4.7 千克，實 1.3 所示，紅外通道的光學原理圖如圖 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)指標如表 1.3 所示，光譜探測曲線如圖 1

圖 1.4 SPICAM 紅外通道光學原理圖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視場角 1°望遠鏡 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)動頻率 85-150 MHz，0.5-2.5 W探測器InGaAs（Hamamatsu G5832-11）尺寸 Φ 1mm0.5nm~1.2nm光學透過率 20%NER ~3×10-9Wcm-2sr-1
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院上海技術(shù)物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：P237

【參考文獻】

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本文編號：2659807