基于声光和液晶调制的高精度高光谱全偏振成像系统研究

发布时间：2017-12-19 16:31

  本文关键词：基于声光和液晶调制的高精度高光谱全偏振成像系统研究　出处：《中北大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：高光谱全偏振成像技术是将一维高光谱、一维全偏振和二维图像探测技术集一体的新型四维信号获取技术,在太空探测、地物遥感、医疗卫生、环境科学、化学分析等领域有很好的应用潜力。论文采用声光可调谐滤光器(Acousto-optic tunable filter,AOTF)为分光元件、液晶相位可变延迟器(Liquid crystal variable retarder,LCVR)为偏振调制元件的高光谱全偏振成像测量技术。研究影响系统测量精度的各类因素及其修正方法,尤其是AOTF衍射展宽导致衍射方向成像模糊、入射角不同导致光谱分布不一致及偏振测量不准、光谱温漂和光学系统色差导致的失焦等问题的解决方法,是现阶段追求高精度高光谱全偏振测量必需解决的重要科学问题,也是高精度测量的关键所在。论文基于声光和液晶调制的新型高光谱全偏振成像原理,对影响整个系统测量精度的因素进行理论分析,并提出修正策略,设计完成了可见和近红外两套高精度高光谱全偏振成像系统。首先,研究了基于AOTF和双LCVRs的高光谱全偏振成像原理。详细推导高光谱全偏振成像原理,实现Stokes参量S=[I,Q,U,V]T中全部4个参数的测量,并针对液晶相位延迟偏差对最终的偏振测量误差进行理论和仿真研究;搭建了光谱全偏振探测原理验证实验,验证了该方法的可行性。其次,研究了影响系统高光谱全偏振成像测量精度的因素,并针对其影响原因提出解决策略。研究了AOTF光谱成像中普遍存在的衍射方向较非衍射方向成像模糊的原因,理论推导获得由于超声衍射矢量方向的展宽导致AOTF衍射展宽及旁瓣的根本原因,提出采用邻域估计-递归校正算法抑制AOTF衍射展宽及旁瓣对成像的影响,并进行了实验验证,经校正后的成像中衍射方向与非衍射方向清晰度相当;研究了入射角对光谱偏振成像系统中同一幅图光谱分布不一致的影响,并通过理论分析及实验获得入射角与面阵探测器像元处波长对应关系,通过非线性拟合对其进行光谱修正,修正后的相对误差比修正前降低一个数量级;分析了入射角对液晶相位延迟的影响及对应关系,进而获得入射角对偏振测量的影响及偏振修正方法;研究了AOTF光谱温漂问题,通过不同温度的大量实验,结合非线性拟合算法获得AOTF衍射波长与超声频率及环境温度的对应关系,进而根据该关系修正温漂光谱,采用频率修正方法修正超声驱动频率与温度的系数平均为9.5kHz/℃。再次,设计适用于系统的宽光谱消色差光学系统。为解决同一幅图光谱分布不一致及修正LCVR入射角不同导致的相位延迟不同,设计了改进型的一次成像光学系统,前置压缩视场光学系统将被测目标视场压缩到AOTF允许的±3o视场内,面阵探测器放置在后置成像镜头的焦点处,通过Zemax仿真优化设计整体光学系统,使其实现宽波段消色差的目的,达到无需调焦就可实现不同波长下清晰成像,并通过实验验验证其消色差和成像质量。最后,设计加工完成基于AOTF和双LCVRs的可见和近红外两套高光谱全偏振成像系统。针对可见波段和近红外波段各元件的特点,设计各自的原理样机,样机可实现可见波段110个光谱通道和近红外波段70个光谱通道数的高光谱全偏振成像探测。并通过偏振片加波片的方式进行光谱全偏振成像验证实验;结合天空偏振特性,采用样机进行外场测试,验证样机的实用可行性。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP391.41;O436.3

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