基于AOTF分光和LCVR相位调制型光谱偏振成像技术研究

摘要

光谱偏振成像技术(Spectropolarimetric imaging，SPI)，是一种集空间目标二维影像、光谱、偏振于一体的新型光信息获取和应用技术，该技术可获取光谱成像所无法获取的目标光独有的偏振特性，多维信息的综合利用可以进一步来提高目标识别探测能力。所以目前该技术广泛应用于军事探测、医疗检测和大气污染监测等领域。论文基于声光可调滤波器(Acousto-optic tunable filter，AOTF)分光和液晶可变相位延迟器(Liquid crystalvariable retarder，LCVR)相位调制相结合的新型光谱偏振成像技术原理，为了实现系统光谱和偏振的精确和快速测量，对影响系统测量精度的原因进行了理论分析和实验修正，并提出了斯托克斯(Stokes)参量的快捷测量方法。因此，本论文主要从以下几个方面来展开阐述研究。
　　首先对AOTF和LCVR的工作原理及其基本性能进行了研究。详细的从压电换能器声场衍射角度分析了光谱展宽的原因;并根据AOTF分光机理，理论分析了不同入射光极角导致AOTF±1级衍射光中心波长变化的原因，为下一步AOTF的光谱校正和实现光谱精密测量提供了坚实的理论基础。
　　其次，提出了一种双LCVR相位调制和AOTF分光的全新高光谱全偏振成像系统，在分析了光的偏振态和典型器件的米勒矩阵的基础上，针对系统特点建立了适用于该系统的光谱偏振测量模型，并首次提出了一种被测目标光的Stokes参量的快捷获取方法。
　　再次，为了实现提出系统高精度的光谱测量，对光垂直和非垂直入射AOTF导致衍射光中心波长变化进行了精确定标研究，并通过最小二乘非线性拟合得到了光谱修正方程;为了实现高精度的偏振测量，提出了LCVR对不同波长光波初始相位延迟量的最小二乘精确定标研究，并得到了初始相位延迟量定标方程，并实验验证了该方程的精确性。
　　最后，根据上述所提出的系统，搭建了实验样机。利用样机对上述所提出的被测目标光Stokes参量的快捷测量方法进行了实验性验证，而且还利用样机进行了外场的光谱实验和光谱偏振实验，实验验证了该系统进行光谱偏振成像方面的可行性和可靠性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题选题背景及研究意义

1．2 声光可调滤波器的技术发展现状

1．2．1 声光可调滤波器的国内外研究现状

1．3 光谱偏振成像技术的发展现状

1．3．1 光谱偏振成像技术简介

1．3．2 光谱偏振成像技术国内外研究现状

1．4 课题来源、目的、主要研究内容

第二章 AOTF和LCVR工作原理及性能指标

2．1 AOTF的工作原理

2．1．1 切线平行动量匹配关系

2．2 AOTF的性能参数

2．2．1 衍射效率

2．2．2 光谱分辨率

2．2．3 视场角对衍射波长的影响

2．3 LCVR的工作原理

2．4 LCVR相位延迟特性分析

2．5 本章小结

第三章 双LCVR相位调制和AOTF分光的光谱偏振成像模型建立

3．1 光的偏振态理论

3．1．1 斯托克斯矢量法

3．1．2 典型偏振器件的米勒(Mueller)矩阵

3．2 基于双LCVR相位调制和AOTF分光的高光谱全偏振成像原理

3．2．1 系统结构

3．2．2 系统高光谱全偏振测量理论推导

3．3 本章小结

第四章 系统高光谱全偏振精密测量研究及测量误差分析

4．1．1 光垂直入射的AOTF光谱校正

4．1．2 光非垂直入射的AOTF光谱校正

4．2 系统偏振精密测量技术研究

4．2．1 光强法测LCVR的相位延迟

4．2．2 初始相位延迟量的最小儿乘精确定标研究

4．3 系统全Stokes参量测量精度分析

4．4 本章小结

第五章 系统外场实验及成像质量研究

5．1 样机搭建

5．2 样机高光谱全偏振成像原理验证

5．2．1 样机Stokes参量测量方法验证

5．2．2 样机可靠性和可行性验证

5．3 样机光谱成像外场实验

5．4 样机光谱偏振成像外场实验

5．4．1 瑞丽散射的大气偏振模型建立

5．4．2 大气偏振瑞丽散射的外场实验验证

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及取得的研究成果

致谢