CN107084787A

CN107084787A - 一种aotf成像光谱仪光谱定标的温度修正方法

Info

Publication number: CN107084787A
Application number: CN201710136229.1A
Authority: CN
Inventors: 雷浩; 张亚洲; 王广平; 武敬力
Original assignee: Beijing Institute of Environmental Features
Current assignee: Beijing Institute of Environmental Features
Priority date: 2017-03-08
Filing date: 2017-03-08
Publication date: 2017-08-22

Abstract

公开了一种AOTF成像光谱仪光谱定标的温度修正方法，包括：S1、根据声光可调谐滤光器AOTF的工作波段范围选择线性光源，其中，所述线性光源的波长位于AOTF的工作波段范围内；S2、针对每个定标温度，获取光谱定标过程中与所述定标温度对应的超声波驱动频率；S3、基于线性光源的波长、所述每个定标温度以及与每个定标温度对应的超声波驱动频率，拟合调谐曲线中的调谐参数，得到温度修正的调谐曲线。与现有技术相比，本发明能够对传统光谱定标结果进行温度修正，通过将AOTF温度引入定标结果光谱调谐曲线可减小因环境温度变化引入的光谱定标误差，减小外场测量误差、提高成像光谱仪光谱测量精度。

Description

一种AOTF成像光谱仪光谱定标的温度修正方法

技术领域

本发明涉及试验与测试技术领域，尤其涉及一种AOTF成像光谱仪光谱定标的温度修正方法。

背景技术

以下对本发明的相关技术背景进行说明，但这些说明并不一定构成本发明的现有技术。

定量化遥感是实现遥感器收集到的光辐射数据定量的反演，并建立相应的测算与识别数值模型的过程。而成像光谱仪的发展则为定量遥感理论的建立奠定了技术基础，特别是高光谱遥感综合利用了空间分辨率和光谱分辨率，不仅可以得到各狭窄谱段的目标图像，还可以得到图像上每个像元的光谱曲线，通过获取目标的影像信息和光谱信息，形成信息的数据立方体。AOTF成像光谱仪是以声光可调谐滤光器(AOTF)作为分光元件的成像光谱仪，然而在实验中发现AOTF的光谱特性会受到外界温度影响，从而引起光谱测量的误差。

发明内容

基于现有技术中存在的问题，本发明提出一种AOTF成像光谱仪光谱定标的温度修正方法，能够获得AOTF光谱特性受环境温度影响的变化规律，有效的对传统光谱定标结果进行温度修正。

本发明AOTF成像光谱仪光谱定标的温度修正方法，其特征在于包括：

S1、根据声光可调谐滤光器AOTF的工作波段范围选择线性光源，其中，所述线性光源的波长位于AOTF的工作波段范围内；

S2、针对每个定标温度，获取光谱定标过程中与所述定标温度对应的超声波驱动频率；

S3、基于线性光源的波长、所述每个定标温度以及与每个定标温度对应的超声波驱动频率，拟合调谐曲线中的调谐参数，得到温度修正的调谐曲线；

其中，所述调谐曲线为：

式中，λ为线性光源的波长，及经AOTF晶体衍射的单色光波长；f为超声波驱动频率；a₁、a₂、b、γ₁…γ_m为调谐曲线中的调谐参数；m为调谐曲线的误差项数。

优选地，获取光谱定标过程中与所述定标温度对应的超声波驱动频率包括：

在光谱定标过程中，以n MHz为间隔改变扫描频率进行扫描，得到与每个扫描频率对应的扫描图像；

根据与每个扫描频率对应的扫描图像灰度值DL，确定扫描频率与DL之间的线性关系，以及DL在扫描频率范围内的最大值DL_max；

以DL_max对应的扫描频率作为光谱定标过程中与所述定标温度对应的超声波驱动频率。

优选地，按照如下方法确定与每个扫描频率对应的扫描图像灰度值DL：

针对每个扫描频率，以该扫描频率下获得的扫描图像的灰度值DL作为与该扫描频率对应的扫描图像灰度值DL；或者，

针对每个扫描频率，以αn MHz为间隔改变扫描频率进行精细扫描，得到若干张精细扫描图像；以每个扫描频率对应的若干张精细扫描图像的灰度平均值作为与该扫描频率对应的DL；其中，0＜α＜0.1。

优选地，扫描频率与DL之间的线性关系为：

式中，DL_i(f_i)为与扫描频率f_i对应的扫描图像灰度值；f_i为第i次扫描的扫描频率；A_i、B_i、C_i和D_i为拟合参数，f_i、B_i和C_i的单位相同。

优选地，任意两个定标温度之间的温度差不大于100℃。

优选地，调谐曲线的误差项数为1。

本发明通过将AOTF温度引入定标结果光谱调谐曲线可减小因环境温度变化引入的光谱定标误差，有效减小外场测量误差，提高成像光谱仪光谱测量精度。

附图说明

通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本发明的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：

图1是AOTF晶体的分光原理示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。

目前基于声光可调谐滤光器(acousto-optic turnable filter，AOTF)成像光谱仪被广泛应用于光谱测量、高光谱遥感等领域，然而在实践中发现在外场测量由于环境温度变化引起AOTF光谱仪被的光谱位置产生漂移，引起光谱曲线测量误差。本发明通过将AOTF光谱仪的温度引入定标结果得到光谱调谐曲线，可减小因环境温度变化引入的光谱定标误差，有效减小外场测量误差、提高成像光谱仪光谱测量精度。

AOTF是一种基于各向异性晶体在声光互作用下的反常布拉格衍射效应制成的电调谐滤光器，能够根据施加给它的射频信号频率的不同对入射复色光进行衍射从而得到特定波长的单色光。声光互作用是指光波在介质中传播时，被超声波场衍射或散射的现象。由于声波是一种弹性波，声波在介质中传播会产生弹性应力或应变这种现象称为弹光效应，介质弹性形变将导致介质的折射率发生变化。当光波在介质中传播时，就会发生衍射现象，衍射光的强度、频率和方向等将随着超声波场的变化而变化。

图1示出了AOTF晶体的分光原理示意图，图中，1为AOTF晶体，2为超声波行波场，3为换能器，4为可调射频源，5为吸声体，6为入射复色光，7、8为衍射的正交单色光，9为零级光，10为挡光板。当对换能器3施加一定频率的激励射频电信号时，换能器3能够将其转换为对应频率的超声波信号并耦合到AOTF晶体1中，AOTF晶体1的折射率随之发生周期性变化，因而相当于AOTF晶体1中形成了一个位相光栅，光栅常量即为超声波的波长。对于一定的声光介质和一定的传播方向(即超声波驱动频率f、V、入射光方向角θ_i不变，为一常量)，AOTF光谱仪的光谱调谐关系可以由下式表示：

式中，Δn＝|n_i-n_d|，为AOTF晶体的双折射率差，n_i为入射光的折射率，n_d为入射光的折射率；θ_i为入射光方向角，即入射光和超声波波面间的夹角，单位为：°；V为超声波在晶体内的声速，单位为：m/s；λ为衍射光的波长。

光通过AOTF晶体的时候发生反常布拉格衍射，入射光波矢衍射光波矢和声波矢之间严格匹配矢量三角形闭合条件：其中各矢量的模为：

式中，n_i是入射光和超声波波面间的夹角的函数，θ_i是衍射光与超声波波面间夹角θ_d的函数。

一般的，在AOTF集成在成像光谱仪系统中，入射光经过前置光学系统后射入AOTF晶体的角度不变，晶体内的声速也是常数。可见，在忽略双折射率变化的条件下，经AOTF衍射出射的单色光波长λ和激励用的射频信号频率f存在一一对应关系，只要通过电信号的调谐即可实现快速、随机改变输出光的波长，为光谱分析仪器提供一种新的容易实现程序控制的滤光器件。

本发明AOTF成像光谱仪光谱定标的温度修正方法，包括：

其中，所述调谐曲线为：

式中，λ为线性光源的波长，及经AOTF晶体衍射的单色光波长；f为超声波驱动频率；γ_-1、γ₀、γ₁…γ_m为调谐曲线中的调谐参数；m为调谐曲线的误差项数。

本发明的温度修正方法从矢量失配的角度分析AOTF光谱仪的光谱特性，计算AOTF光谱仪的精确光谱响应函数形式，分析其中会受到环境温度影响而变化的参数，并提出温度修正方法，有效的提高了光谱定标精度。有利于更精确分析成像光谱仪遥感探测所获取数据立方体信息的可靠性，为地物光谱曲线的准确获取与光谱特征的精确分析提供实验与理论支撑。

从上述公式1中可以看出，获取若干组定标数据(即波长、定标温度以及与每个定标温度对应的超声波驱动频率)后，即可拟合出调谐曲线中的调谐参数。定标数据的组数可以是任意值，当定标数据的组数较少时，可以仅根据定标数据拟合调谐曲线中的调谐参数；当定标数据的组数较多时，可以根据实验设计原理对每组定标数据进行分析，舍弃掉其中误差较大的数据，然后再以剩下的有效定标数据拟合调谐曲线中的调谐参数。公式1中的第一项为理论计算的调谐曲线函数项，后面的m+1项为泰勒展开级数形式的误差项，m的取值越大，拟合出的调谐曲线的精确度越高，为了拟合调谐曲线中的调谐参数所需的定标数据组数也越多。

理论计算表明，AOTF的双折射率Δn随温度的变化呈现一种准线性关系。设a＝r_-1×Δn,b＝r₀，c＝r₁，由于Δn随温度线性变化，因而a为随环境温度线性变化的参数，令a＝a₁×T+a₂，因此最终所采用的调谐曲线形式可以为：

在AOTF光谱定标实验中常取m＝1，即误差项截取到一次项。将调谐曲线的误差项数设置为1，不仅不会降低所得调谐曲线的精确性，还能大大简化测试步骤，并降低拟合调谐参数的计算量，提高利用本发明的方法温度修正的效率。

AOTF的双折射率Δn随温度的变化呈现一种准线性关系。一般的，在相对较小的温度范围内，例如小于100℃的温度范围，双折射率随温度的变化几乎是线性的。因此，为了尽量提高调谐曲线的准确性，在一些实施例中，可以使任意两个定标温度之间的温度差不大于100℃。

如上所述，获取若干组定标数据(即波长、定标温度以及与每个定标温度对应的超声波驱动频率)后，即可拟合出调谐曲线中的调谐参数。本领域技术人员应当理解，只要能够获得若干组定标数据，便可以采用本发明的方法进行温度修正，定标数据的获取方式不影响本发明技术方案的实施。本领域技术人员可以根据实际需要选择合适的方式获取定标数据，例如波长可以根据线性光源的波长进行确定，定标温度可以在定标过程中测量。

AOTF的衍射效率T是随着波长及驱动频率变化的，其基本的函数形式是sinc²函数(定义sinc²(x)＝(sin(πx)/(πx))²)，称为AOTF光谱系统的传递函数，函数形式为：

其中T为AOTF晶体的衍射效率，单位为：％；α是动量匹配时的函数峰值，无单位；L是AOTF晶体声光互作用常数，单位为：nm；Δk是声光矢量失配量，单位为：nm^-1。在波长不变的条件下，Δk是随着AOTF的驱动频率f线性变化的，衍射效率T的大小与在波长对应的频率范围扫描输出驱动频率时获得的图像的输出灰度值有关。因此，在一些优选实施例中，超声波驱动频率可以通过如下方式获得获取光谱定标过程中与所述定标温度对应的超声波驱动频率包括：

扫描间隔n的大小可以根据AOTF光谱仪的工作频率范围以及所需的定标精度进行选择，例如0＜n＜1。

为了尽量提高扫描结果的准确性，可以进一步按照如下方法确定与每个扫描频率对应的扫描图像灰度值DL：

针对每个扫描频率，以该扫描频率下获得的扫描图像的灰度值DL作为与该扫描频率对应的扫描图像灰度值DL；例如，当扫描频率n＝20MHz时，所得扫描图像的灰度值DL＝DL₂₀，则以DL₂₀作为与扫描频率20MHz对应的扫描图像灰度值DL；

或者，

针对每个扫描频率，以αn MHz为间隔改变扫描频率进行精细扫描，得到若干张精细扫描图像；以每个扫描频率对应的若干张精细扫描图像的灰度平均值作为与该扫描频率对应的DL；其中，0＜α＜0.1。AOTF成像光谱仪的分辨率越大，α的取值可适当减小。此处的“若干张”可以根据实际情况进行确定，比如为两张或者更多张。例如，当扫描频率n＝20MHz时，以0.5MHz为间隔改变扫描频率进行精细扫描，得到与17.5MHz、18.0MHz、18.5MHz、19.0MHz、19.5MHz、20MHz、20.5MHz、21.0MHz、21.5MHz、22.0MHz10对应的10张精细扫描图像，则以这10张精细扫描图像的灰度平均值作为与扫描频率20MHz对应的扫描图像灰度值DL。

在一些实施例中，扫描频率与DL之间的线性关系为：

式中，DL_i(f_i)为与扫描频率f_i对应的扫描图像灰度值；f_i为第i次扫描的扫描频率；A_i、B_i、C_i和D_i为拟合参数，f_i、B_i和C_i的单位相同。获得若干组扫描频率和DL数据之后，可以按照上述公式2拟合出A_i、B_i、C_i和D_i，得到扫描频率与DL之间的线性关系。在步骤S2中针对每个定标温度进行光谱定标时，可以根据上述扫描频率与DL之间的线性关系查找扫描频率范围内的最大值DL_max；以DL_max对应的扫描频率作为光谱定标过程中与定标温度对应的超声波驱动频率。

与现有技术相比，本发明能够对传统光谱定标结果进行温度修正，通过将AOTF温度引入定标结果光谱调谐曲线可减小因环境温度变化引入的光谱定标误差，减小外场测量误差、提高成像光谱仪光谱测量精度。

虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改变。

Claims

1.一种AOTF成像光谱仪光谱定标的温度修正方法，其特征在于包括：

其中，所述调谐曲线为：

2.如权利要求1所述的温度修正方法，其特征在于，获取光谱定标过程中与所述定标温度对应的超声波驱动频率包括：

3.如权利要求2所述的温度修正方法，其特征在于，按照如下方法确定与每个扫描频率对应的扫描图像灰度值DL：

4.如权利要求2所述的温度修正方法，其特征在于，扫描频率与DL之间的线性关系为：

5.如权利要求1所述的温度修正方法，其特征在于，任意两个定标温度之间的温度差不大于100℃。

6.如权利要求1所述的温度修正方法，其特征在于，调谐曲线的误差项数为1。