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，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)用前景引起了愈來愈多研究者的關(guān)注。同時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)點在于：體積小、重量輕，固體結(jié)構(gòu)并且無活動部件，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)用逐漸成為國際研究的一大亮點。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前沿應(yīng)用科學(xué)，仍然處于摸索中不斷發(fā)展的進程中，很多基本理論和應(yīng)用問題有待通過積極地探索來完善和解決。我國在開展聲光可調(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，目前未進入實用化階段，仍需要進行大量的研究。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)作為主要研究對象，開展了相關(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)濾波器的國內(nèi)外研究進展,并分析了聲光可調(diào)濾波器在光譜成像領(lǐng)域應(yīng)用的國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。在此基礎(chǔ)上，明確了本文的主要研究內(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)濾波器是依賴于反常聲光布拉格衍射工作的聲光器件。通

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

5、調(diào)濾波器的設(shè)計精度很有意義。以改進的聲光作用關(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聲光可調(diào)濾波器設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，從而建立了一套完整的非共線聲光可調(diào)濾波器的設(shè)計方法。
　　第四，本研究進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)計理論。超光譜成像系統(tǒng)的良好探測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，以改進的非共線聲光相互作用關(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計算式，保障了光譜分辨率的計算精確度。研究提出了利用兩個聲光可調(diào)濾波器的適當(dāng)組合來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，并對兩個獨立聲光可調(diào)濾波器開展了具體設(shè)計。通過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旁瓣抑制方面的顯著作用。針對聲光衍射效率隨著超聲頻率差的增

7、大而降低的問題，研究引入了表示信號銳度的Q因子。對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，在確定的參考超聲頻率下存在著Q值的平衡點。平衡點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值平衡點可以作為在保證良好信號質(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辟了新途徑。
　　最后，本研究開展了可見/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)計工作。研究中詳細(xì)闡述了超光譜成像系統(tǒng)的設(shè)計思想、具體設(shè)計過程以及關(guān)鍵技術(shù)。針對聲光可調(diào)濾波器成像模塊的設(shè)計中，利用了二次濾波理論來實現(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)偏振特性的識別能力。設(shè)計完成的超光譜成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊牢固，操作靈活方便，整體自動化水平高，能滿足眾多應(yīng)用領(lǐng)域的需要。另外，針對可見/近紅外高光譜分辨率聲光可調(diào)濾波超