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

2、其修正方法，尤其是AOTF衍射展寬導致衍射方向成像模糊、入射角不同導致光譜分布不一致及偏振測量不準、光譜溫漂和光學系統(tǒng)色差導致的失焦等問題的解決方法，是現(xiàn)階段追求高精度高光譜全偏振測量必需解決的重要科學問題，也是高精度測量的關鍵所在。
　　論文基于聲光和液晶調制的新型高光譜全偏振成像原理，對影響整個系統(tǒng)測量精度的因素進行理論分析，并提出修正策略，設計完成了可見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。詳細推導高光譜全偏振成像原理，實現(xiàn)Stokes參量S=[I，Q，U，V]T中全部4個參數的測量，并針對液晶相位延遲偏差對最終的偏振測量誤差進行理論和仿真研究;搭建了光譜全偏振探測原理驗證實驗，驗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量精度的因素，并針對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，理論推導獲得由于超聲

4、衍射矢量方向的展寬導致AOTF衍射展寬及旁瓣的根本原因，提出采用鄰域估計-遞歸校正算法抑制AOTF衍射展寬及旁瓣對成像的影響，并進行了實驗驗證，經校正后的成像中衍射方向與非衍射方向清晰度相當;研究了入射角對光譜偏振成像系統(tǒng)中同一幅圖光譜分布不一致的影響，并通過理論分析及實驗獲得入射角與面陣探測器像元處波長對應關系，通過非線性擬合對其進行光譜修正，修正后的相對誤差比修正前降低一個數量級;分析了入射角對液晶相位延遲的影響及對應關系，進而獲得

5、入射角對偏振測量的影響及偏振修正方法;研究了AOTF光譜溫漂問題，通過不同溫度的大量實驗，結合非線性擬合算法獲得AOTF衍射波長與超聲頻率及環(huán)境溫度的對應關系，進而根據該關系修正溫漂光譜，采用頻率修正方法修正超聲驅動頻率與溫度的系數平均為9.5kHz/℃。
　　再次，設計適用于系統(tǒng)的寬光譜消色差光學系統(tǒng)。為解決同一幅圖光譜分布不一致及修正LCVR入射角不同導致的相位延遲不同，設計了改進型的一次成像光學系統(tǒng)，前置壓縮視場光學系統(tǒng)將被

6、測目標視場壓縮到AOTF允許的±3°視場內，面陣探測器放置在后置成像鏡頭的焦點處，通過Zemax仿真優(yōu)化設計整體光學系統(tǒng)，使其實現(xiàn)寬波段消色差的目的，達到無需調焦就可實現(xiàn)不同波長下清晰成像，并通過實驗驗驗證其消色差和成像質量。
　　最后，設計加工完成基于AOTF和雙LCVRs的可見和近紅外兩套高光譜全偏振成像系統(tǒng)。針對可見波段和近紅外波段各元件的特點，設計各自的原理樣機，樣機可實現(xiàn)可見波段110個光譜通道和近紅外波段70個光譜通道