基于聲光和液晶調(diào)制的高精度高光譜全偏振成像系統(tǒng)研究.pdf

1、高光譜全偏振成像技術(shù)是將一維高光譜、一維全偏振和二維圖像探測(cè)技術(shù)集一體的新型四維信號(hào)獲取技術(shù)，在太空探測(cè)、地物遙感、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境科學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用潛力。論文采用聲光可調(diào)諧濾光器(Acousto-optictunable filter，AOTF)為分光元件、液晶相位可變延遲器(Liquid crystal variableretarder，LCVR)為偏振調(diào)制元件的高光譜全偏振成像測(cè)量技術(shù)。研究影響系統(tǒng)測(cè)量精度的各類(lèi)因素及

2、其修正方法，尤其是AOTF衍射展寬導(dǎo)致衍射方向成像模糊、入射角不同導(dǎo)致光譜分布不一致及偏振測(cè)量不準(zhǔn)、光譜溫漂和光學(xué)系統(tǒng)色差導(dǎo)致的失焦等問(wèn)題的解決方法，是現(xiàn)階段追求高精度高光譜全偏振測(cè)量必需解決的重要科學(xué)問(wèn)題，也是高精度測(cè)量的關(guān)鍵所在。
　　論文基于聲光和液晶調(diào)制的新型高光譜全偏振成像原理，對(duì)影響整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量精度的因素進(jìn)行理論分析，并提出修正策略，設(shè)計(jì)完成了可見(jiàn)和近紅外兩套高精度高光譜全偏振成像系統(tǒng)。
　　首先，研究了基于AO

3、TF和雙LCVRs的高光譜全偏振成像原理。詳細(xì)推導(dǎo)高光譜全偏振成像原理，實(shí)現(xiàn)Stokes參量S=[I，Q，U，V]T中全部4個(gè)參數(shù)的測(cè)量，并針對(duì)液晶相位延遲偏差對(duì)最終的偏振測(cè)量誤差進(jìn)行理論和仿真研究;搭建了光譜全偏振探測(cè)原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的可行性。
　　其次，研究了影響系統(tǒng)高光譜全偏振成像測(cè)量精度的因素，并針對(duì)其影響原因提出解決策略。研究了AOTF光譜成像中普遍存在的衍射方向較非衍射方向成像模糊的原因，理論推導(dǎo)獲得由于超聲

4、衍射矢量方向的展寬導(dǎo)致AOTF衍射展寬及旁瓣的根本原因，提出采用鄰域估計(jì)-遞歸校正算法抑制AOTF衍射展寬及旁瓣對(duì)成像的影響，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)校正后的成像中衍射方向與非衍射方向清晰度相當(dāng);研究了入射角對(duì)光譜偏振成像系統(tǒng)中同一幅圖光譜分布不一致的影響，并通過(guò)理論分析及實(shí)驗(yàn)獲得入射角與面陣探測(cè)器像元處波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)非線(xiàn)性擬合對(duì)其進(jìn)行光譜修正，修正后的相對(duì)誤差比修正前降低一個(gè)數(shù)量級(jí);分析了入射角對(duì)液晶相位延遲的影響及對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而獲得

5、入射角對(duì)偏振測(cè)量的影響及偏振修正方法;研究了AOTF光譜溫漂問(wèn)題，通過(guò)不同溫度的大量實(shí)驗(yàn)，結(jié)合非線(xiàn)性擬合算法獲得AOTF衍射波長(zhǎng)與超聲頻率及環(huán)境溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而根據(jù)該關(guān)系修正溫漂光譜，采用頻率修正方法修正超聲驅(qū)動(dòng)頻率與溫度的系數(shù)平均為9.5kHz/℃。
　　再次，設(shè)計(jì)適用于系統(tǒng)的寬光譜消色差光學(xué)系統(tǒng)。為解決同一幅圖光譜分布不一致及修正LCVR入射角不同導(dǎo)致的相位延遲不同，設(shè)計(jì)了改進(jìn)型的一次成像光學(xué)系統(tǒng)，前置壓縮視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)將被

6、測(cè)目標(biāo)視場(chǎng)壓縮到AOTF允許的±3°視場(chǎng)內(nèi)，面陣探測(cè)器放置在后置成像鏡頭的焦點(diǎn)處，通過(guò)Zemax仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)整體光學(xué)系統(tǒng)，使其實(shí)現(xiàn)寬波段消色差的目的，達(dá)到無(wú)需調(diào)焦就可實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)下清晰成像，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)驗(yàn)證其消色差和成像質(zhì)量。
　　最后，設(shè)計(jì)加工完成基于AOTF和雙LCVRs的可見(jiàn)和近紅外兩套高光譜全偏振成像系統(tǒng)。針對(duì)可見(jiàn)波段和近紅外波段各元件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)各自的原理樣機(jī)，樣機(jī)可實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)波段110個(gè)光譜通道和近紅外波段70個(gè)光譜通道