论文摘要
近年来,光谱成像技术在军事侦察、精细农业、生物医学等领域的广泛应用前景引起了愈来愈多研究者的关注。同时具备空间分辨能力和光谱分辨能力的光谱成像技术是图像分析技术与光谱分析技术的完美结合。有关分光元件的研究是光谱成像领域的核心技术之一。声光可调滤波器（Acousto-Optic Tunable Filter,AOTF）是一种新型的分光元件。与传统分光元件相比,AOTF的优点在于:体积小、重量轻,固体结构并且无活动部件,通光孔径和入射光孔径很大,衍射效率高,调谐灵活快速、调谐范围宽。这些特性反映出AOTF应用于光谱成像领域的巨大潜力。发展AOTF在光谱成像领域的应用逐渐成为国际研究的一大亮点。不可否认,基于声光可调滤波技术的光谱成像研究作为一门前沿应用科学,仍然处于摸索中不断发展的进程中,很多基本理论和应用问题有待通过积极地探索来完善和解决。我国在开展声光可调滤波技术应用于光谱成像领域的研究方面起步较晚,目前未进入实用化阶段,仍需要进行大量的研究。本文以基于超光谱成像系统的声光可调滤波技术作为主要研究对象,开展了相关理论研究工作,旨在为声光可调滤波技术在光谱成像领域的广泛应用起到积极的促进作用。首先,本文介绍了光谱成像技术和声光可调滤波器的国内外研究进展,并分析了声光可调滤波器在光谱成像领域应用的国内外现状和发展趋势。在此基础上,明确了本文的主要研究内容和意义。第二,本文详细介绍了声光可调滤波器的工作原理。声光可调滤波器是依赖于反常声光布拉格衍射工作的声光器件。通过对相关基本理论介绍,说明了非共线声光可调滤波器的工作原理和主要技术参数。介绍了非共线声光作用的切线平行动量匹配关系以及压电超声换能器的设计方法。这些知识的介绍为后续的研究奠定了坚实的基础。第三,本文针对应用在光谱成像上的TeO2非共线声光可调滤波器展开了研究。研究指出了以往的TeO2非共线声光作用关系存在着明显误差。通过综合考虑TeO2晶体的双折射特性和旋光特性,给出了改进的非共线声光作用关系式。本研究对于提高非共线声光可调滤波器的设计精度很有意义。以改进的声光作用关系为基础,依据声光可调滤波器的工作原理,讨论了最佳入射光极角的选择和成像分辨率等非共线声光可调滤波器设计的重要环节,从而建立了一套完整的非共线声光可调滤波器的设计方法。第四,本研究进一步提出了面向超光谱成像应用的高光谱分辨率声光可调滤波器的设计理论。超光谱成像系统的良好探测性能要求作为分光元件的声光可调滤波器具有高光谱分辨率。本研究中,以改进的非共线声光相互作用关系为基础,给出了TeO2声光可调滤波器的光谱分辨率的改进计算式,保障了光谱分辨率的计算精确度。研究提出了利用两个声光可调滤波器的适当组合来有效提高光谱分辨率的新方法,即二次滤波法。研究讨论了二次滤波法的基本原理,并对两个独立声光可调滤波器开展了具体设计。通过讨论二次滤波中影响光谱宽度的因素,发现在确定参考超声频率下增大两个声光滤波器的超声频率差可有效提高光谱分辨率。研究还发现,二次滤波法在光信号旁瓣抑制方面的显著作用。针对声光衍射效率随着超声频率差的增大而降低的问题,研究引入了表示信号锐度的Q因子。对Q因子变化规律的研究表明,超声频率差增大到一定程度时,在确定的参考超声频率下存在着Q值的平衡点。平衡点处的光谱宽度明显地减小,声光衍射效率保持在较高的水平。本研究证明,二次滤波中引入Q值平衡点可以作为在保证良好信号质量前提下提高声光可调滤波器的光谱分辨率的有效方法。二次滤波法为提高声光可调滤波器的光谱分辨率开辟了新途径。最后,本研究开展了可见/近红外高光谱分辨率声光可调滤波超光谱成像系统的设计工作。研究中详细阐述了超光谱成像系统的设计思想、具体设计过程以及关键技术。针对声光可调滤波器成像模块的设计中,利用了二次滤波理论来实现超光谱成像系统的高光谱分辨率。基于液晶电致位相延迟原理,利用液晶位相延迟器设计了系统的偏振控制装置,使系统具备了目标偏振特性的识别能力。设计完成的超光谱成像系统结构简单、紧凑牢固,操作灵活方便,整体自动化水平高,能满足众多应用领域的需要。另外,针对可见/近红外高光谱分辨率声光可调滤波超光谱成像系统的性能测试实验开展了设计工作。通过详细阐述性能测试实验的主要实现方法和关键技术,为有效评估超光谱成像系统的性能提供了客观标准和依据。本文综合发展了基于超光谱成像系统的声光可调滤波技术的相关理论研究。通过本文的研究,得到了改进的非共线声光作用关系,获得了高光谱分辨率声光可调滤波器的设计方法。本文设计的可见/近红外高光谱分辨率声光可调滤波超光谱成像系统将会极大地推动光谱成像技术发展和广泛应用。