基于运动平台的声光电复合调制探测关键技术研究

发布时间：2020-05-12 06:26

【摘要】：基于声光可调谐滤光器(Acousto-optic tunable filter,AOTF)的凝视型成像光谱仪因光谱选择灵活可调、采样间隔可控、波长扫描快速等诸多优点,在可见红外波段遥感信息获取,深空行星探测等航空航天技术领域具有广泛的应用潜力。但因其基于时间序列光谱扫描特性,相比于光栅型、傅里叶变换型等分光机制而言,由于运动平台的姿态、位置不稳定等因素导致光谱数据立方体存在像移,即相同探测目标在不同谱段的光谱数据不重叠,导致同一地物目标的空间信息和光谱信息不一一对应,影响获取目标的光谱纯度及定量反演的精度。而与此同时,AOTF晶体自身由于声光非线性效应导致的色散漂移特性,即不同谱段的衍射出射角随着晶体加载驱动频率的改变而改变,导致获取的目标光谱图像存在横向的漂移,同样影响目标光谱数据立方体的重构。基于此课题背景,本文对这两种因素导致的谱段间的不重叠问题进行分析,探索利用两种横向位移相互抵消的方法实现基于运动平台的AOTF成像光谱仪的谱段失配补偿机制。本文首先对AOTF型成像光谱仪波段失配分析问题进行分析,利用动量匹配定律对AOTF晶体的声光互作用分光机理进行了理论分析,概述了影响AOTF晶体成像质量的主要光学性能参数,建立了AOTF晶体的数学物理模型,接着对AOTF晶体的色散漂移特性进行了详细的分析,通过数值分析计算,证明了利用AOTF色散漂移特性进行像移补偿在理论上具备可行性。运动平台方面,以航空和航天平台为例,分析了实际应用时积分时间、平台姿态、位置稳定度、指向精度等参数对谱段漂移量的大小以及全视场范围内像移一致性的影响,分析结果表明,在姿态、位置稳定和较短的积分时间的情况下,各个谱段之间的图像失配主要体现在水平位移量,大小约十几个像元,从而为利用AOTF晶体漂移的水平位移补偿运动平台的水平位移提供了有利条件。针对AOTF晶体的色散漂移特性,设计了基于图像处理的高精度AOTF衍射出射角测试装置。首先,阐述了所采用的图像处理算法的基本原理,对于获取不同谱段图像的水平漂移量,分别采用了基于尺度不变特征转换(Scale-invariant feature transform,SIFT)的特征点匹配算法和基于Hough变换的几何形状检测算法得到。通过两种算法得到的漂移量实验数据相互对照,最终得到波长在450nm~800nm的-1级衍射光的波长-衍射出射角曲线。从AOTF晶体声光衍射角的实验数据出发,设计了基于运动平台的AOTF成像光谱仪谱段配准方案。首先,根据指标参数设计了AOTF型成像光谱仪系统。其次,设计了不同目标位置的光谱配准方案和固定平台运动速度的光谱配准方案,阐述了成像采集驱动控制的具体实现方法,并搭建了配准方案原理验证装置,通过对实验数据的处理分析建立起了目标位置-衍射波段-衍射角对应关系,最终实现基于运动平台的目标光谱数据立方体的获取,并对所获取的光谱数据进行配准精度评价。结果表明,该方法能够很好的满足将AOTF成像光谱仪数据配准到0.3像元以内的要求。最后给出了一些不足的地方和对未来研究的展望与建议。
【图文】：

曲线,实物

在航天探测领域，基于 AOTF 晶体的单点探测光谱仪取得了比较广泛下面选取比较有代表性的典型应用和实际用途进行概述。第一台基于 AOTF 型航天应用的光谱仪来自苏联/俄罗斯 1988 年发ean-O 系列地球观测卫星上搭载的 AOS 光谱仪（Acousto-opticalspectrome覆盖可见波段 430nm-800nm，主要用于海洋水体成分检测如 SO2等[35]空局（ESA）在 2003 年发射的火星快车卫星（Mars Express），其中搭ICAM（SpectroscopyforInvestigationofCharacteristicsoftheAtmosphereof仪器[36][37][38]，其工作波段分为两大段，紫外谱段覆盖范围为 118nm~320n分采用光栅分光；红外谱段覆盖范围为 1.0μm~1.7μm，，使用 AOTF 分光固态、可靠性高、重量轻体积小等优点，最终仪器重量为 4.7 千克，实 1.3 所示，红外通道的光学原理图如图 1.4 所示。红外谱段主要用于检气中的水蒸气[39]。其技术参数指标如表 1.3 所示，光谱探测曲线如图 1

红外通道,光学原理

图 1.4 SPICAM 红外通道光学原理图Figure 1.4 Optical schematic for SPICAM infrared channel表 1.3 SPICAM 红外谱段技术参数Table 1.3 Technical parameters for SPICAM of infrared channel波长范围 1.0 μm~1.7 μm光谱分辨率0.5 nm @1.0 μm1.2 nm @1.7μm or better than 4 cm-1视场角 1°望远镜透镜型，Φ30mm；焦距 40 mmAOTFTeO2效率 70%（偏振光入射）孔径 3.6×3.6 mm2,±3.5°RF 驱动频率 85-150 MHz，0.5-2.5 W探测器InGaAs（Hamamatsu G5832-11）尺寸 Φ 1mm0.5nm~1.2nm光学透过率 20%NER ~3×10-9Wcm-2sr-1
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P237

【参考文献】