專利名稱：聲光可調(diào)諧濾波器成像光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高光譜成像技術(shù)，具體是指一種聲光可調(diào)諧濾波器成像光譜 儀，它用于遙感探測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
許多礦物和巖石存在有可分辨的吸收和反射特征，美國在七十年代中期陸 續(xù)開展了以地質(zhì)礦產(chǎn)遙感為主要內(nèi)容的室內(nèi)光譜測定和野外光譜研究，并進(jìn)行 了大量的航空實驗飛行，最終確定了鑒別地質(zhì)礦產(chǎn)，土壤特性和植被信息的最
佳波段為(2.08 — 2.35線1.55 二 L75ym)。利用光譜手段進(jìn)行物質(zhì)識別 已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。而成像光譜技術(shù)則把二維成像技術(shù)和光譜技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在 一起，不僅能對物體進(jìn)行形態(tài)成像，而且還能提供豐富的光譜信息；它具有光 譜分辨率高、波段多、圖像與光譜相結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，近年來在遙感等領(lǐng)域得到廣 泛的應(yīng)用。
目前在遙感應(yīng)用成像光譜儀中使用的分光方式主要有棱鏡分光、光柵分 光、傅立葉變換、漸變?yōu)V光片。棱鏡或光柵分光是最為常用的分光方式，大多 數(shù)航空和航天成像光譜儀均采用了此類分光技術(shù)，此類技術(shù)需要平臺的移動才 能獲得圖譜信息；傅立葉變換光譜儀利用光譜像元干涉圖與光譜圖之間的傅立 葉變換關(guān)系，通過測量千涉圖和對干涉圖進(jìn)行傅立葉變換來獲得物體的光譜信 息，這種方式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，實現(xiàn)難度較高；漸變?yōu)V光片一般為楔形多層膜介質(zhì) 干涉濾光片，將其安裝在面陣探測器前，探測器的每一行探測像元接收與濾光 片透過波長對應(yīng)的光譜帶的能量，同樣需要平臺的移動，還需要像元的重新配 準(zhǔn)。聲光可調(diào)諧濾波器基于聲光效應(yīng)的原理，當(dāng)一束復(fù)色光通過一個高頻振動 的具有光學(xué)彈性的晶體時，某一波長的單色光將會在晶體內(nèi)部產(chǎn)生衍射，以一
定角度從晶體中透射出來，未發(fā)生衍射的復(fù)色光則沿原光線傳播方向直接透射 過晶體，由此達(dá)到分光的目的。只要將超聲波的驅(qū)動頻率設(shè)定為特定波長對應(yīng) 的頻率值，即可實現(xiàn)該波長的分離，改變超聲波驅(qū)動頻率就可實現(xiàn)中心波長的 改變。國外聲光可調(diào)諧濾波器的研制比較早，目前的商品生產(chǎn)廠家也很多，且
性能指標(biāo)較高，其中美國的Brimrose公司和法國的AA. Sa公司最為有名，其 產(chǎn)品種類多，覆蓋波長從可見到熱紅外波段。
國內(nèi)外利用聲光可調(diào)諧濾波器作為分光方式，主要用于光譜儀的設(shè)計和制 作，而這些光譜儀主要應(yīng)用場合為在線檢測，應(yīng)用于主動光源近距離探測場合 下。其中天津大學(xué)的孫振東教授研制成功了 2.5-5微米波段在線氣體監(jiān)測光譜 儀，用于對汽車尾氣進(jìn)行實時在線光譜測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種聲光可調(diào)諧濾波器成像光譜儀，解決傳統(tǒng)成像 光譜儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜和各波段像元之間需配準(zhǔn)的技術(shù)問題。
本發(fā)明成像光譜儀的結(jié)構(gòu)如附圖1所示，它包括望遠(yuǎn)鏡1、視場光闌2、 準(zhǔn)直鏡3、聲光可調(diào)諧濾波器4、會聚鏡5和面陣探測器6。物體表面反射光(可 以是反射太陽光或其它發(fā)光體)經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡1，會聚于視場光闌2,視場光闌2 的大小用以限制儀器的整個觀測視場角，之后經(jīng)準(zhǔn)直鏡3后變?yōu)闇?zhǔn)直光路耦合 進(jìn)入聲光可調(diào)諧濾波器4，通過射頻信號發(fā)生器對聲光可調(diào)諧濾波器4施加一 定頻率的射頻信號，對應(yīng)波長的光將發(fā)生衍射，經(jīng)過會聚鏡5后均勻照射在面 陣面陣探測器6上，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)即可獲得改波長的物體圖像信息。通過 射頻信號發(fā)生器分時產(chǎn)生一系列射頻信號，即可分時獲得一系列對應(yīng)波長的物體圖像信息，獲得物體的圖譜立方體。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
(1) 聲光可調(diào)諧濾波器堅固、緊湊、無可移動部件。這點(diǎn)使得它非常適 合在遙感應(yīng)用中使用。儀器的輕微破損、振動和沖擊都不會影響波 長的準(zhǔn)確性。
(2) 聲光可調(diào)諧濾波器分光非?？焖俨⒖梢蕴峁╇S機(jī)波長采樣。當(dāng)射頻 驅(qū)動頻率改變時，中心波長的變化所需時間主要由超聲波充滿光學(xué) 口徑的時間決定，通常為幾 幾十微秒，整個光譜范圍的波長掃描 非常迅速。
(3) 聲光可調(diào)諧濾波器具有很高的效率，在選定波長的傳輸效率可以高
達(dá)98%。傳統(tǒng)的光柵分光中，狹縫的寬度會影響到光譜分辨率，寬 度越窄則光譜分辨率越高，但會降低光通量。而聲光可調(diào)諧濾波器 的光譜分辨率不受光學(xué)孔徑的約束，因此光學(xué)孔徑可以很大，用以 提高光通量。
(4) 聲光可調(diào)諧濾波器具有很好的光譜可重復(fù)性和自定標(biāo)特性。聲光可 調(diào)諧濾波器是全固態(tài)設(shè)備，無可移動部件， 一旦機(jī)械結(jié)構(gòu)確定之后， 分光波長只與射頻驅(qū)動信號的頻率有關(guān)，而射頻信號的頻率是可以 進(jìn)行數(shù)字精密控制的，因此聲光可調(diào)諧濾波器光譜儀可以僅僅通過 改變射頻頻率進(jìn)行自定標(biāo)。聲光可調(diào)諧濾波器還具有很好的波長重 現(xiàn)性，Brimrose公司生長的Te02晶體聲光可調(diào)諧濾波器典型波長重 復(fù)誤差小于0. 05nm。
(5) 聲光可調(diào)諧濾波器易于控制和集成。聲光可調(diào)諧濾波器的一個非常 有用的特性就是它的高度可控性，其中的射頻信號發(fā)生器可以直接和微處理器或者電腦連接，實現(xiàn)可控快速掃描，特別是隨機(jī)掃描。 在實際使用中非常易于和控制系統(tǒng)集成。


圖1是本發(fā)明的光學(xué)原理示意圖； 圖中1——望遠(yuǎn)鏡；
2——視場光闌；
3——準(zhǔn)直鏡；
4——聲光可調(diào)諧濾波器；
5——會聚鏡
6——面陣探測器。
圖2是射頻信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖。
圖3是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成模塊圖。
具體實施例方式
下面根據(jù)圖1 圖3給出本發(fā)明一個較好實施例，用以說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)
特征，技術(shù)性能和功能特點(diǎn)，而不是用來限定本發(fā)明的范圍。 該系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下-
*光譜范圍1250 2500nm *光譜分辨率〈15nm *波段數(shù)64 *瞬時視場0.8mrad *成像視場12° X12°
系統(tǒng)包括如下幾個部分
1)前光學(xué)前光學(xué)系統(tǒng)主要包括望遠(yuǎn)鏡1、視場光闌2和準(zhǔn)直鏡3，在本實施方案中
自行設(shè)計，參數(shù)如下
望遠(yuǎn)鏡l: f=36.5mm D=1.5mm 視場光闌2: 7.68mmX7.68mm 準(zhǔn)直鏡3: f=103.6mm D=3mm
2)聲光可調(diào)諧濾波器
選用了法國AA.Sa公司的短波紅外聲光可調(diào)濾波器產(chǎn)品聲光可調(diào)諧濾波 器.10，其技術(shù)指標(biāo)如表l所示，該產(chǎn)品具有較大的通光口徑和角孔徑，以及較 高的衍射效率和透過率。
1
波長范圍1250-2500nm
光譜分辨率2.5nm@1250nml0nm@2500nm
分光效率>70%@1250nm >30%@2500nm (線極化光輸入，3W)
通光口徑3X7mm2
角孔徑±3°
響應(yīng)時間1.5微秒/mm
光學(xué)透過率80%-95%
溫漂系數(shù)lppm/° C
最大承受功率4W
3)后光學(xué)
7后光學(xué)即會聚鏡5，同樣進(jìn)行自行設(shè)計，指標(biāo)如下
會聚鏡5: f=103.6mm D=3mm
4) 短波紅外面陣探測器
選擇法國Sofradir HgCdTe SWIR 320X256短波紅外探測器，其截至波長 可以到2. 5微米，光敏面大小為30X30微米，在本例中只利用其光敏面的256 X256元。
5) 射頻信號發(fā)生器
射頻信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，整個系統(tǒng)主要分為控制器、頻率可 調(diào)正弦波發(fā)生器、低通濾波器、增益可調(diào)放大器和功率放大器幾個部分?？刂?器主要完成系統(tǒng)內(nèi)各子模塊的控制和協(xié)調(diào)工作，并與主控系統(tǒng)完成控制命令的 交換。頻率可調(diào)正弦波發(fā)生器直接數(shù)字合成產(chǎn)生所需頻率的正弦波，經(jīng)過低通 濾波器濾除帶外雜波，在經(jīng)過增益可調(diào)放大器進(jìn)行一級放大，然后進(jìn)行功率放 大以滿足對聲光可調(diào)諧濾波器驅(qū)動功率的要求。
6) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成模塊圖如圖3所示。總控模塊實現(xiàn)對短波紅外面陣探測 器的時序驅(qū)動，探測器輸出信號經(jīng)過放大、信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、緩存和輸出 接口完成數(shù)據(jù)采集和傳輸。在整個采集過程中，主控模塊對各部分進(jìn)行控制， 并與射頻發(fā)生器等模塊進(jìn)行控制命令傳輸。
8
權(quán)利要求
1.一種聲光可調(diào)諧濾波器成像光譜儀，它包括望遠(yuǎn)鏡、視場光闌、準(zhǔn)直鏡、分光元件、會聚鏡、面陣探測器，其特征在于成像光譜儀采用的分光元件是聲光可調(diào)諧濾波器(4)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聲光可調(diào)諧濾波器成像光譜儀，它用于遙感探測領(lǐng)域。本發(fā)明涉及遙感領(lǐng)域的高光譜成像技術(shù)，它利用聲光可調(diào)諧濾波器作為波段選擇器件和面陣成像技術(shù)相結(jié)合的一種新方法和集成系統(tǒng)，包括前光學(xué)、聲光可調(diào)諧濾波器、后光學(xué)、面陣探測器、射頻信號發(fā)生器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本發(fā)明可應(yīng)用于地面、機(jī)載、星載以及深空探測等多種遙感領(lǐng)域，被動接收物體反射光，得到觀測物體的圖譜立方體，并可通過電調(diào)諧方式靈活地挑選觀測波段。
文檔編號G01N21/17GK101561388SQ200810036258
公開日2009年10月21日 申請日期2008年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月18日
發(fā)明者何志平, 穎 林, 王建宇, 嶸 舒, 龔玉梅 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所