专利名称：声光可调谐滤波器成像光谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及高光谱成像技术，具体是指一种声光可调谐滤波器成像光谱 仪，它用于遥感探测领域。
背景技术：
许多矿物和岩石存在有可分辨的吸收和反射特征，美国在七十年代中期陆 续开展了以地质矿产遥感为主要内容的室内光谱测定和野外光谱研究，并进行 了大量的航空实验飞行，最终确定了鉴别地质矿产，土壤特性和植被信息的最
佳波段为(2.08 — 2.35线1.55 二 L75ym)。利用光谱手段进行物质识别 已经被广泛应用。而成像光谱技术则把二维成像技术和光谱技术有机地结合在 一起，不仅能对物体进行形态成像，而且还能提供丰富的光谱信息；它具有光 谱分辨率高、波段多、图像与光谱相结合等优点，近年来在遥感等领域得到广 泛的应用。
目前在遥感应用成像光谱仪中使用的分光方式主要有棱镜分光、光栅分 光、傅立叶变换、渐变滤光片。棱镜或光栅分光是最为常用的分光方式，大多 数航空和航天成像光谱仪均采用了此类分光技术，此类技术需要平台的移动才 能获得图谱信息；傅立叶变换光谱仪利用光谱像元干涉图与光谱图之间的傅立 叶变换关系，通过测量千涉图和对干涉图进行傅立叶变换来获得物体的光谱信 息，这种方式结构较复杂，实现难度较高；渐变滤光片一般为楔形多层膜介质 干涉滤光片，将其安装在面阵探测器前，探测器的每一行探测像元接收与滤光 片透过波长对应的光谱带的能量，同样需要平台的移动，还需要像元的重新配 准。声光可调谐滤波器基于声光效应的原理，当一束复色光通过一个高频振动 的具有光学弹性的晶体时，某一波长的单色光将会在晶体内部产生衍射，以一
定角度从晶体中透射出来，未发生衍射的复色光则沿原光线传播方向直接透射 过晶体，由此达到分光的目的。只要将超声波的驱动频率设定为特定波长对应 的频率值，即可实现该波长的分离，改变超声波驱动频率就可实现中心波长的 改变。国外声光可调谐滤波器的研制比较早，目前的商品生产厂家也很多，且
性能指标较高，其中美国的Brimrose公司和法国的AA. Sa公司最为有名，其 产品种类多，覆盖波长从可见到热红外波段。
国内外利用声光可调谐滤波器作为分光方式，主要用于光谱仪的设计和制 作，而这些光谱仪主要应用场合为在线检测，应用于主动光源近距离探测场合 下。其中天津大学的孙振东教授研制成功了 2.5-5微米波段在线气体监测光谱 仪，用于对汽车尾气进行实时在线光谱测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种声光可调谐滤波器成像光谱仪，解决传统成像 光谱仪结构复杂和各波段像元之间需配准的技术问题。
本发明成像光谱仪的结构如附图1所示，它包括望远镜1、视场光阑2、 准直镜3、声光可调谐滤波器4、会聚镜5和面阵探测器6。物体表面反射光(可 以是反射太阳光或其它发光体)经过望远镜1，会聚于视场光阑2,视场光阑2 的大小用以限制仪器的整个观测视场角，之后经准直镜3后变为准直光路耦合 进入声光可调谐滤波器4，通过射频信号发生器对声光可调谐滤波器4施加一 定频率的射频信号，对应波长的光将发生衍射，经过会聚镜5后均匀照射在面 阵面阵探测器6上，通过数据采集系统即可获得改波长的物体图像信息。通过 射频信号发生器分时产生一系列射频信号，即可分时获得一系列对应波长的物体图像信息，获得物体的图谱立方体。 本发明的优点在于
(1) 声光可调谐滤波器坚固、紧凑、无可移动部件。这点使得它非常适 合在遥感应用中使用。仪器的轻微破损、振动和冲击都不会影响波 长的准确性。
(2) 声光可调谐滤波器分光非常快速并可以提供随机波长采样。当射频 驱动频率改变时，中心波长的变化所需时间主要由超声波充满光学 口径的时间决定，通常为几 几十微秒，整个光谱范围的波长扫描 非常迅速。
(3) 声光可调谐滤波器具有很高的效率，在选定波长的传输效率可以高
达98%。传统的光栅分光中，狭缝的宽度会影响到光谱分辨率，宽 度越窄则光谱分辨率越高，但会降低光通量。而声光可调谐滤波器 的光谱分辨率不受光学孔径的约束，因此光学孔径可以很大，用以 提高光通量。
(4) 声光可调谐滤波器具有很好的光谱可重复性和自定标特性。声光可 调谐滤波器是全固态设备，无可移动部件， 一旦机械结构确定之后， 分光波长只与射频驱动信号的频率有关，而射频信号的频率是可以 进行数字精密控制的，因此声光可调谐滤波器光谱仪可以仅仅通过 改变射频频率进行自定标。声光可调谐滤波器还具有很好的波长重 现性，Brimrose公司生长的Te02晶体声光可调谐滤波器典型波长重 复误差小于0. 05nm。
(5) 声光可调谐滤波器易于控制和集成。声光可调谐滤波器的一个非常 有用的特性就是它的高度可控性，其中的射频信号发生器可以直接和微处理器或者电脑连接，实现可控快速扫描，特别是随机扫描。 在实际使用中非常易于和控制系统集成。
图1是本发明的光学原理示意图； 图中1——望远镜；
2——视场光阑；
3——准直镜；
4——声光可调谐滤波器；
5——会聚镜
6——面阵探测器。
图2是射频信号发生器结构图。
图3是数据采集系统的组成模块图。
具体实施例方式
下面根据图1 图3给出本发明一个较好实施例，用以说明本发明的结构
特征，技术性能和功能特点，而不是用来限定本发明的范围。 该系统的主要技术指标如下-
*光谱范围1250 2500nm *光谱分辨率〈15nm *波段数64 *瞬时视场0.8mrad *成像视场12° X12°
系统包括如下几个部分
1)前光学前光学系统主要包括望远镜1、视场光阑2和准直镜3，在本实施方案中
自行设计，参数如下
望远镜l: f=36.5mm D=1.5mm 视场光阑2: 7.68mmX7.68mm 准直镜3: f=103.6mm D=3mm
2)声光可调谐滤波器
选用了法国AA.Sa公司的短波红外声光可调滤波器产品声光可调谐滤波 器.10，其技术指标如表l所示，该产品具有较大的通光口径和角孔径，以及较 高的衍射效率和透过率。
1
波长范围1250-2500nm
光谱分辨率2.5nm@1250nml0nm@2500nm
分光效率>70%@1250nm >30%@2500nm (线极化光输入，3W)
通光口径3X7mm2
角孔径±3°
响应时间1.5微秒/mm
光学透过率80%-95%
温漂系数lppm/° C
最大承受功率4W
3)后光学
7后光学即会聚镜5，同样进行自行设计，指标如下
会聚镜5: f=103.6mm D=3mm
4) 短波红外面阵探测器
选择法国Sofradir HgCdTe SWIR 320X256短波红外探测器，其截至波长 可以到2. 5微米，光敏面大小为30X30微米，在本例中只利用其光敏面的256 X256元。
5) 射频信号发生器
射频信号发生器结构框图如图2所示，整个系统主要分为控制器、频率可 调正弦波发生器、低通滤波器、增益可调放大器和功率放大器几个部分。控制 器主要完成系统内各子模块的控制和协调工作，并与主控系统完成控制命令的 交换。频率可调正弦波发生器直接数字合成产生所需频率的正弦波，经过低通 滤波器滤除带外杂波，在经过增益可调放大器进行一级放大，然后进行功率放 大以满足对声光可调谐滤波器驱动功率的要求。
6) 数据采集系统
数据采集系统组成模块图如图3所示。总控模块实现对短波红外面阵探测 器的时序驱动，探测器输出信号经过放大、信号调理、模数转换、缓存和输出 接口完成数据采集和传输。在整个采集过程中，主控模块对各部分进行控制， 并与射频发生器等模块进行控制命令传输。
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权利要求
1.一种声光可调谐滤波器成像光谱仪，它包括望远镜、视场光阑、准直镜、分光元件、会聚镜、面阵探测器，其特征在于成像光谱仪采用的分光元件是声光可调谐滤波器(4)。
全文摘要
本发明公开了一种声光可调谐滤波器成像光谱仪，它用于遥感探测领域。本发明涉及遥感领域的高光谱成像技术，它利用声光可调谐滤波器作为波段选择器件和面阵成像技术相结合的一种新方法和集成系统，包括前光学、声光可调谐滤波器、后光学、面阵探测器、射频信号发生器以及数据采集系统。本发明可应用于地面、机载、星载以及深空探测等多种遥感领域，被动接收物体反射光，得到观测物体的图谱立方体，并可通过电调谐方式灵活地挑选观测波段。
文档编号G01N21/17GK101561388SQ200810036258
公开日2009年10月21日 申请日期2008年4月18日 优先权日2008年4月18日
发明者何志平, 颖 林, 王建宇, 嵘 舒, 龚玉梅 申请人:中国科学院上海技术物理研究所