基于色漂移声光调控的运动平台光谱凝视成像及像移补偿技术研究

Acousto-Optic Tunable Filter (AOTF) is well suited for development trend of compact design spectrometer and deep-space exploration application because of its features such as solid-state made and programmable in spectra acquisition. In spectral staring imaging system, the dispersion drift characteristics of AOTF results in the diffraction angle changing with the wavelength of diffracted light, which leaded a drift of observation target in image plane. Normally, a method of manufacturing an optical wedge at the output facet can be used to reduce this disadvantageous dispersion in engineering design. Meanwhile, image motion compensation is required in spectral staring imaging system to suppress graph pixel mismatch caused by relative movement of the platform..In this project, the dispersion drift effect of AOTF is going to be discussed in detail for image motion compensation focusing on the staring spectral imaging system based on motion platform. Moreover, the AOTF dispersion drift analysis system will be setup to establish a simulation model with the variables such as optical wedge angle, RF driving frequency, incident angle and diffracted angle. On the premise of a certain velocity of motion platform, the match between FOV variation with periodic wavelength scanning and the relative velocity of object target will be achieved finally by optimizing the design of AOTF’s wedge angle and controlling the frame frequency of spectral imaging in different wavebands, which meets the target of sub-pixel image registration.

声光可调谐滤波器（AOTF）作为新型的色散分光器件，其全固态、采集光谱可编程的特点，迎合了深空探测以及光谱设备轻小型化的发展趋势。在应用于凝视成像系统分光时，AOTF的色散漂移特性会造成衍射出射角随衍射波长改变，形成观测目标在像面色散维度上的漂移现象，设计中通常通过在AOTF出射面引入楔角以消除色散。在运动平台应用中，凝视型光谱成像系统会遇到因相对运动带来的图谱不重合问题，需要进行像移补偿。本研究将AOTF的色漂移特性应用于解决运动平台下凝视光谱成像的像移补偿问题，通过着重理解AOTF的色散漂移机理，搭建AOTF色散漂移精密测试平台，建立楔角、驱动频率、入射角、衍射角的综合数据模型。最终实现在平台运动速度一定的前提下，通过优化设计AOTF楔角，以及控制不同谱段光谱成像的帧频，实现在一周期的波长扫描内观测视场角度变化与观测目标相对速度匹配，达到图谱亚像元级匹配的目标。

本课题首先对AOTF型成像光谱仪波段失配分析问题进行分析，利用动量匹配定律对AOTF晶体的声光互作用分光机理进行了理论分析，就影响AOTF晶体成像质量的主要光学性能参数，建立了AOTF晶体的数学物理模型。针对AOTF晶体的色散漂移特性，设计了基于图像处理的高精度AOTF衍射出射角测试装置。首先，阐述了所采用的图像处理算法的基本原理，对于获取不同谱段图像的水平漂移量，分别采用了基于尺度不变特征转换(Scale-invariant feature transform, SIFT)的特征点匹配算法和基于Hough变换的几何形状检测算法得到。通过两种算法得到的漂移量实验数据相互对照，最终得到波长在450-800nm的±1级衍射光的波长-衍射出射角曲线。.运动平台方面，以航空和航天平台为例，分析了实际应用时积分时间、平台姿态、位置稳定度、指向精度等参数对谱段漂移量的大小以及全视场范围内像移一致性的影响，分析结果表明，在姿态、位置稳定和较短的积分时间的情况下，各个谱段之间的图像失配主要体现在水平位移量，大小约几十个像元，从而为利用AOTF晶体漂移的水平位移补偿运动平台的水平位移提供了有利条件。.从AOTF晶体声光衍射角的实验数据出发，设计了基于运动平台的AOTF成像光谱仪谱段配准方案。首先，根据指标参数设计了AOTF型成像光谱仪系统。其次，设计了不同目标位置的光谱配准方案和固定平台运动速度的光谱配准方案，阐述了成像采集驱动控制的具体实现方法，并搭建了配准方案原理验证装置，通过对实验数据的处理分析建立起了目标位置-衍射波段-衍射角对应关系，最终实现基于运动平台的目标光谱数据立方体的获取，并对所获取的光谱数据进行配准精度评价。结果表明，该方法能够很好的满足将AOTF成像光谱仪数据配准到0.3像元以内的要求。