基于声光可调滤波器的超光谱成像系统的实验研究

论文摘要

自从1922年法国物理学家Brillouin第一次在世界上提出声光作用的概念,到1969年Harris和Wallace首次设计出共线型声光可调滤波器,再到2008年9月6日我国发射升空并顺利进入预定轨道的环境与灾害监测预报小卫星,它的主要载荷是西安光机所研制的“HJ-1-A卫星超光谱成像仪”,经过几十年的发展,光谱成像技术在空间环境遥感、农林业、食品生产在线监测、生物医学等领域得到了广泛的应用,也引起了国内外众多研究人员的关注。成像技术和光谱技术是光电技术的两个关键领域,它们分别的发展和应用已十分成熟。成像技术追求高的空间分辨率,而光谱技术追求高光谱分辨率,成像光谱技术在这两方面的能力均十分突出,实现了二者的完美结合。首先,本文在参考了大量国内外关于光谱成像技术论文的基础上,介绍了国内外光谱成像技术的现状和发展趋势,结合实验室现有条件,明确了研究的主要内容和理论意义。第二,文章阐述了非共线型的二氧化碲AOTF的工作原理。介绍了反常布拉格衍射,二氧化碲AOTF就是利用它来工作的。通过基础理论介绍,阐释了它的工作原理和主要技术参数,介绍了切线平行动量匹配关系。这些知识的引入为后续的研究奠定了坚实的理论基础。第三,本文完成了超光谱成像仪成像所需要的前端光学镜头及后端CCD镜头的设计。光学系统是光谱成像仪除分光元件外关键的部分。光学系统的主要作用是将目标区域或物体采集进系统并最终成像到CCD相机上,来获得物体的光谱信息和空间信息。本文认真阐明了如何利用光学设计软件ZEMAX进行光学系统设计。最后,论文通过调谐关系和光谱宽度测量实验、成像实验以及成像分辨率测试实验验证了系统的整体性能,验证了系统设计方案的可行性,对进一步完善整个系统的设计优化具有参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 光谱成像技术研究进展
• 1.2.1 光谱成像仪分类
• 1.2.2 国外光谱成像技术的研究现状及分析
• 1.2.3 国内光谱成像技术的研究现状及分析
• 1.3 AOTF 分光技术的发展及分析
• 1.4 本课题的主要研究内容及工作安排
• 第2章 声光可调滤波器工作原理
• 2.1 引言
• 2.2 声光作用的物理基础
• 2 非共线声光可调滤波器的工作原理'>2.3 TeO₂非共线声光可调滤波器的工作原理
• 2.3.1 反常布拉格衍射
• 2.3.2 切线平行动量匹配关系
• 2.4 非共线可调滤波器的主要技术指标
• 2.4.1 光谱分辨率
• i'>2.4.2 入射光角孔径 δθi
• 2.4.3 衍射效率η
• 2.5 本章小结
• 第3章 超光谱成像光学系统的设计
• 3.1 引言
• 3.2 ZEMAX 光学设计软件简介
• 3.3 前端光学系统设计
• 3.3.1 选择初始系统
• 3.3.2 系统初步设计
• 3.3.3 系统优化设计
• 3.3.4 套加工样板
• 3.4 后端光学系统设计
• 3.5 公差分析
• 3.6 透镜工程图中参数的说明
• 3.6.1 对光学材料的要求
• 3.6.2 对零件的要求
• 3.7 本章小结
• 第4章 性能测试实验及结果分析
• 4.1 引言
• 4.2 ikon-M DU934N-BV CCD 简介
• 4.3 超声频率-光波长及光谱宽度测量实验
• 4.3.1 超声频率-光波长关系测量
• 4.3.2 光谱宽度测量
• 4.4 超光谱成像实验及结果分析
• 4.4.1 发射光谱成像实验及结果分析
• 4.4.2 反射光谱成像实验及结果分析
• 4.5 成像分辨率和图像清晰度
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢