AOTF成像光谱仪光学系统的最优方案选择

基于声光可调谐滤波器（AOTF）的成像光谱仪是一种新型的成像光谱仪,它除了具有一般成像光谱仪的二维空间信息与一维光谱信息外,还能获得目标的偏振信息。在实际应用中AOTF可接收的光束孔径角一般不大于5～6,因而受到所采用声光晶体可接收角度的限制,AOTF光谱成像仪的光学系统不能同时兼顾大孔径与大视场。要求AOTF成像光谱仪视场满足128128像元,TeO2晶体尺寸为10 mm10 mm,根据声光可调谐滤波器成像光谱仪光学系统的特点,分析比较了2种光学系统总体方案,最终将系统的孔径光栏放置在晶体上,TeO2晶体尺寸限制了孔径光栏的尺寸,晶体可接收的角度决定了系统的视场角,提高了能量利用率,获得较高的图像信噪比。     

基于胶合棱镜的AOTF成像光谱仪横向色差校正

设计声光可调谐滤波器(AOTF)成像光谱仪时,ZEMAX等软件缺乏AOTF光学表面,导致光学设计困难,本文根据波矢量匹配原理,在ZEMAX中建立了基于声光衍射效应的AOTF自定义表面模型,实验表明该模型能够实现AOTF的衍射光精确追迹。在此基础上,针对传统方法校正AOTF横向色差时残差较大的问题,提出了基于胶合棱镜的高精度横向色差校正方法,结合AOTF自定义表面,完成了胶合棱镜的玻璃组合和顶角的自动优化。结果表明,文章提出的自定义表面和胶合棱镜色差校正相结合的方法大大方便了AOTF成像光谱仪的设计,能够将横向色差控制到0.000 3°,比以往方法提高了一个量级,有效抑制了光谱图像的漂移。     

新型偏振干涉成像光谱仪噪声分析与评价

简要论述了自行设计、研制的新型偏振干涉成像光谱仪的基本原理;对该新型偏振干涉成像光谱仪的噪声进行了全面分析;给出了与系统通量相关的总噪声理论表达式;提出了结合成像光谱仪系统、CCD图像传感器与光谱图像提取噪声的分析方法;辅以信噪比的评价,得知成像光谱仪系统通量虽然对噪声具有巨大贡献,但不会影响系统信噪比;为成像光谱仪信噪比的准确计算与降噪方法的有效采用提供了新的理论指导.     

临边成像光谱仪信噪比分析及实验研究

临边成像光谱仪是一种对大气遥感探测有重要研究和应用价值的新型空间光学遥感仪器。信噪比是定量评价成像光谱仪成像质量和辐射性能的的一项重要指标,信噪比的估算和测量对成像光谱仪的研制至关重要。针对临边成像光谱仪从辐射传输和能量转换角度,建立了信噪比模型,推导了色散型临边成像光谱仪信噪比计算公式,编制了信噪比快速计算程序。利用大气辐射传输软件MODTRAN 4.0模拟计算出在典型观测条件下仪器入瞳光谱辐亮度,从理论上估算了已研制成的临边成像光谱仪原理样机在典型观测条件下的信噪比。结果表明,在典型观测条件下原理样机的信噪比不低于8。作为实验验证,利用内照明积分球光源对临边成像光谱仪原理样机进行了信噪比测量,测量结果证实了理论模型的正确性。     

大孔径静态干涉成像光谱仪的信噪比分析

根据大孔径静态干涉成像光谱仪的原理和特点,分析了光辐射能在光学系统内的传输情况,对探测器上接收到的光辐射能信号和噪音信号做了详细的推导,得到了仪器理论信噪比的表达式.在实验上以大口径积分球为辐射源,采集仪器输出的干涉图像,计算得到仪器的实际信噪比曲线,对大孔径静态干涉成像光谱仪的理论信噪比曲线与实际的信噪比曲线做分析比较,结果验证了用推导的论信噪比的表达式来预估仪器信噪比的可行性.     

基于AOTF的成像光谱仪及其在同色异谱目标鉴别中的应用

为了同时获得同色异谱目标的光谱信息和空间分布信息,设计了基于声光可调谐滤波器(acousto-optic tunable filter, AOTF)的成像光谱仪,主要包括前置成像透镜组、AOTF滤光成像模块、AOTF驱动器、CCD图像检测器、图像采集卡和计算机。在计算机的控制下,实现波长的快速扫描,获取每个设定波段下的灰度图像,构建一个光谱图像立方体,因此可以获得图像中任意一点的光谱信息。所设计的成像光谱仪,光谱范围为550 ～1 000 nm,光谱分辨率2.6 nm(@632 nm),光谱扫描速度快,任意两个波长之间的切换时间小于80 μs,整个仪器无机械运动部件,功耗低,抗振能力强。利用该仪器对真假玫瑰花进行了鉴别试验,对涂改物证进行了信息复原实验,并成功地辨别出真假玫瑰花和复原出涂改物证,证实了该成像光谱仪具有优异的同色异谱目标鉴别本领,在同色异谱物质的鉴别上具有广阔的应用前景。     

星载差分吸收光谱仪噪声分析及处理方法

噪声对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪信噪比具有重大影响,其是衡量光谱仪成像质量和痕量气体反演能力的标准。为量化并去除光谱仪系统噪声从而提高信噪比,分析了光谱仪噪声来源并给出了相应噪声模型,在此基础上建立了光谱仪信噪比模型。研究了入射光强度、积分时间和系统增益对系统信噪比的影响。通过光谱仪辐射定标试验数据对不同工作模式和不同参数与信噪比的关系进行了对比验证。并提出主要系统噪声的处理方法：利用线性拟合取截距法确定系统偏置噪声;在地面利用暗电流温度相关性获得温度修正因子实现载荷在轨暗电流校正;在探测器响应线性范围内利用两点校正法对PRNU噪声进行修正。结果表明：全幅成像模式下,可见1通道电子学偏置噪声响应DN值2 625,可见2通道电子学偏置噪声响应DN值2 763;暗电流噪声在CCD成像面温度高于0 ℃时占主要部分,温度下降至-20 ℃时其余噪声起主导作用,验证了CCD最佳制冷温度;光谱仪信噪比随着入射光响应和积分时间的增加而增大,系统增益不会影响信噪比;PRNU噪声通过校正得到明显改善,由3.32%下降到0.47%,提高了光谱仪成像质量。该噪声分析和处理方法对后期光谱数据的痕量气体反演提供帮助。     

大孔径静态干涉成像光谱仪光谱信噪比研究

大孔径静态干涉成像光谱仪获取图谱数据立方体的过程包含干涉仪调制、探测器矩形函数卷积采样和光谱反演,其光谱信噪比评估模型复杂。从光谱能量调制、采样、反演的完整传输过程入手,根据探测器矩形卷积采样原理,采用离散傅里叶变换取实部的光谱反演方法,进行信号与噪声的理论推导,建立了大孔径静态干涉成像光谱仪光谱信噪比评估模型。考虑了与波数相关的光学系统透过率、干涉仪分束面效率、探测器量子效率等仪器设计参数和主要电路噪声参数,进行了光谱信噪比仿真计算。利用LASIS仪器进行了光谱信噪比实验测试,测试结果与模型仿真计算结果平均偏差为3.58%,单谱段信噪比趋势基本吻合,验证了评估模型的正确性。评估模型中包含了典型LASIS成像光谱仪由输入光谱辐射到输出光谱数据的各项主要技术环节,在信噪比计算公式中带入干涉仪分束面干涉效率、探测器矩形采样方式等因素对仪器光谱信噪比的影响算子,并利用实际仪器进行了实验验证,对提高LASIS成像光谱仪工程设计水平具有指导意义。     

基于AOTF成像光谱精密测量技术的研究

声光可调滤波器(AOTF)作为光谱成像的一种新型分光元件,在运用其进行成像光谱时,一般选择入射光垂直于AOTF入射面时所对应的衍射中心波长为CCD的光谱测量波长。但在实际测量中,空间目标不同位置的光线总是以不同的角度进入到AOTF,这样就导致了CCD实际测量的光谱和以光垂直入射时所对应的光谱为测量光谱相比出现误差,影响了光谱的测量精度。采用的成像光谱系统的特点是目标光线经前置光学系统、AOTF和成像透镜后,聚焦成像于透镜的焦平面上,实现了目标光在整个系统的一次成像。此一次成像与传统的二次成像相比,能够有效的提高光能利用率和成像质量。由于AOTF的视场角为±3°,所以通过对AOTF视场角范围内衍射中心波长随入射角度变化的实际规律进行了分析研究,并对衍射波长随入射角度变化的实际测量值进行了拟合修正,得到了修正方程。实验结果表明用修正后的方程进行光谱测量,其相对误差值可以减小一个数量级。此方法可为今后提高AOTF成像光谱测量精度奠定基础。     

新型偏振干涉成像光谱仪信噪比研究

基于辐射度学、电磁与偏振理论和傅里叶变换光谱学理论，从理论和实验上对超小型稳态偏振干涉成像光谱仪的信噪比进行了深入地分析与讨论.推导出了其信噪比的理论计算公式；采用计算机模拟给出了傍轴条件下信噪比随入射角的变化规律；深入分析了偏振干涉成像光谱仪所特有的偏振化方向对信噪比的影响.在调制度等于0.6，0.7，0.8，0.9，1.0时，给出信噪比随偏振器光轴偏角的变化关系，并给出最优化值.在最优化情况下，采用计算机模拟得出了信噪比随探测器像元数的变化规律，与干涉成像光谱实验结果完全相符.理论与实验结果表明，该偏振干涉成像光谱仪在高调制度的情况下具有高通量、高信噪比的显著特点，适合于航空航天、远距离目标和微弱信号的探测.该研究为新型偏振干涉成像光谱技术的研究和新型成像光谱仪的设计、研制和工程化提供了重要的理论依据和实践指导.     

AOTF多光谱成像系统中色差分析及硬件补偿策略

针对声光可调谐滤光器(AOTF)多光谱成像系统中存在色差,使得不同波长下成像清晰所需焦距有所差异,即使在固定波长下,由于横向(衍射方向)光谱展宽,出现横线清楚竖线模糊的现象,本文对AOTF中的色差做了具体分析,指出了成像模糊的原因。根据AOTF多光谱成像系统成像特点,进一步提出了一种改进的SSIM算法作为图像的清晰度评价函数,原算法中目标为两幅图像(一幅为参考图像,一幅为待测图像),而此算法中将目标设定为一幅图像中的相邻行进行相似度分析,明暗变化边缘相似度小说明对比度大,从而图像较为清晰。使用以此算法为核心的自动聚焦对AOTF多光谱成像系统中由色差引起的图像质量进行补偿,计算量小,速度快。通过实验验证了此补偿策略的可行性和实用性,结果表明此策略能够有效解决AOTF多光谱成像系统中因色差引起的图像模糊问题,具有重要的应用价值。     

基于多级微镜的傅里叶变换成像光谱仪干涉成像系统分析与设计

为了实现傅里叶变换成像光谱仪的静态化与高通量,提出一种基于多级微镜的时空混合调制成像光谱仪,其干涉系统是利用一个多级微镜代替迈克尔逊干涉仪中的平面镜,其显著特点是无运动部件和限制系统光通量的狭缝,可同时获得目标的干涉图与二维空间图像。该成像光谱仪利用前置成像系统将目标成像到干涉系统的平面镜与多级微镜上,利用多级微镜的结构特点对两成像光束的光程差进行调制,然后通过后置成像系统获得不同干涉级次的目标图像。首先通过对该成像光谱仪干涉系统光谱信噪比的分析,明确了光谱信噪比与图像信噪比之间的关系,确定了多级微镜的特征参数。为了确保每个阶梯面所对应光程差的恒定性,通过对前置成像系统成像过程的分析,确定了前置成像系统像方远心的光路结构;通过对系统视场角与光程差之间关系的分析和计算,确定了前置成像系统的设计指标并完成了光学设计。为了保证后置成像系统不引入额外的光程差,通过对后置成像系统成像特点的分析,确定了后置成像系统双远心的光路结构;通过对系统入射孔径角与阶梯级数之间关系的分析和计算,最终设计出满足系统性能需求的后置成像系统。通过对各单元系统的理论分析与光学设计,为静态化与高通量成像光谱仪的发展提供了一种新的思路。     

集成光学声光可调谐光谱仪的特性分析

提出了一种以集成光学声光可调谐滤波器作为分光元件的新型光谱仪 ,并详细介绍了这种光谱仪的具体特性。通过对这种光谱仪的特征方程、点扩展函数以及色散本领的详细分析 ,指出该光谱仪的分辨本领与器件的声光作用长度成正比 ,也与它的级联级数的平方根成正比。因此增加器件的声光作用长度比增加它的级联级数能更有效地提高光谱分辨率。另外还指出 ,准共线声光耦合是抑制侧瓣、提高分辨本领的有效途径。测试表明 ,当声光相互作用长度L =2 5mm ,声波导和光波导的夹角θ=0 .4 2°时 ,在中心频率 174MHz附近可获得带宽 1.4 4nm ,一级侧瓣 - 13.2dB ,模式转换效率大于 99%的结果。     

AOTF高光谱成像0级干扰抑制方法研究

随着光谱成像技术的发展,以高空间分辨率和高光谱分辨率获得的图像极大地提高了地物目标的识别能力,为准确获取地物被测目标的二维空间影像信息和一维光谱信息,设计完成一种基于声光可调滤波器(AOTF)的高光谱成像系统,但由于系统中偏振片消光比有限,导致视场外的0级光与被测目标的+1级衍射光发生重叠,而AOTF无驱动时成像可近似为0级干扰的图像,为此提出一种AOTF加驱动图像减无驱动图像的0级干扰抑制方法。并采用该系统样机进行外场光谱成像实验,对结果进行0级干扰抑制方法修正,修正后的结果表明该方法不仅大幅度消除了0级光的干扰,而且还提高了整个成像光谱的测量精度。     

采用AOTF技术的红外光谱仪的设计

介绍了采用AOTF技术的红外光谱仪的总体结构。讨论了单色系统和光谱接收系统的光学设计问题,以及单片机控制下的DDS频率 波长扫描电路和光谱信号相关检测电路。概述了PC机控制系统的组成和设计考虑。     

实用型模块化成像光谱仪多光谱图像的信噪比估算及压缩方法研究

采用局部标准差法和去相关法对实用型模块化成像光谱仪多光谱图像的信噪比进行估算。这两种方法已将地物变化的影响降低到很低的程度。这样在大气订正后，图像的信噪比性能充分反映出遥感仪器的信噪比性能。针对图像压缩，提出控制各波段恢复图像的峰值信噪比刚好大于原始图像的信噪比，使由压缩算法本身所带来的噪声限制在原始图像的噪声范围之内。结合这种压缩思想，用基于离散余弦变换和基于离散小波变换的压缩算法，对实用型模块化成像光谱仪多光谱图像进行压缩。实验表明，利用这种方法，对于高信噪比的波段，图像信息得到了保真；对低信噪比的波段，压缩倍数提高迅速且恢复图像视觉无失真，对整幅成像光谱图像，压缩性能提升显著——当压缩比等于37．95倍时，峰值信噪比等于45．86dB。     

AOTF在光谱分析中的应用研究——3.AOTF在原子发射光谱分析中的应用

本文报道了一台以声光可调滤光器(AOTF)为分光元件的自装ICP原子发射光谱仪.其硬件及软件系统均为自行设计.采用的TeO2晶体为Brimrose TEAF5-0.36-0.52-S.波长校正采用了Ca,Y,Li,Eu,Sr和Ba等六个元素的十四条谱线,经十次拟合后波长值误差小于0.1 nm.不同PMT电压下测定的峰值偏差小于0.04 nm.Ba,Y,Eu,Sc和Sr等五个元素的校正曲线平均相关系数为0.999 1,检出限在0.051～0.97 μg*mL-1范围. 在488 nm处半峰高宽度约为2.1 nm,如不采取增强分辨率的措施,该仪器在原子发射光谱分析中的应用有一定的局限性.