CN102004333A

CN102004333A - 多频率驱动声光可调谐滤波器实现光谱响应电调节的装置

Info

Publication number: CN102004333A
Application number: CN 201010286040
Authority: CN
Inventors: 刘济帆; 马艳华; 张雷; 舒嵘
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2011-04-06

Abstract

本发明公开了一种多频率驱动声光可调谐滤波器实现光谱响应电调节的装置，用于遥感探测领域。对声光可调谐滤波器施加多个驱动频率，可以使入射光中多个对应波段的光同时发生衍射，实现多波段的任意组合。当各驱动频率间隔较小时，各相邻衍射波段部分重合，叠加为一个带宽扩展的光谱波段，此时，可以通过控制施加到声光可调谐滤波器上的驱动频率个数以及频率间隔实现光谱分辨率的调节。同时，通过调整各驱动频率的功率，实现光谱响应曲线形状的调节。

Description

多频率驱动声光可调谐滤波器实现光谱响应电调节的装置

技术领域：

本发明涉及成像光谱技术，具体是指一种多频率驱动声光可调谐滤波器实现光谱响应电调节的装置，它用于遥感探测领域。

背景技术：

现有的成像光谱技术，一般是按照固定的光谱分辨率进行全波段光谱扫描，没有考虑不同的目标特性以及同类目标在不同谱段对光谱分辨率的不同需求，动辄上百个波段，原始数据冗余度高，数据效率低，给数据的传输、存储和处理都带来不便。因此，随着成像光谱技术的发展，越来越希望仪器的光谱分辨率能够实现可编程的功能，以满足不同的应用需求。此外，光谱响应曲线形状可调和多波段任意组合对成像光谱探测也具有重要的应用价值。例如，不同的光谱响应曲线形状可以满足不同的应用需求及不同遥感数据处理算法的需求；而根据目标光谱特征选取多个波段同时成像，往往可以最大程度地提高目标与背景的对比度，同时减少探测和数据处理的时间，适用于需要快速目标探测的应用场合。但是，现有的成像光谱技术主要使用的分光方式包括棱镜、光栅、渐变滤光片、傅里叶变换等，光谱响应在器件加工完成或系统组装后就固定下来，不具备可调节性。因此，目前国内外尚未出现成像光谱仪光谱响应可调节的报道。

声光可调谐滤波器是一种新的应用于成像光谱技术的分光方式，具有全固态、坚固、紧凑、无移动部件、响应速度快、环境适应性好、易于控制和集成等诸多优点。声光可调谐滤波器基于弹光效应的原理，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，某一波长的光波矢将会在晶体内部发生衍射，以一定角度从晶体中透射出来。当晶体振动频率改变时，衍射中心波长也相应改变。但是，当声光可调谐滤波器加工完成后，各波长对应的光谱分辨率、光谱响应曲线形状等同样是固定的，其器件本身也无法实现光谱响应的调节。

根据声光可调谐滤波器的工作原理，当对其同时施加多个频率的驱动信号时，会产生多个衍射波段。当各驱动频率间隔较小时，相邻衍射波段部分重合，叠加为一个带宽扩展的光谱波段，并且各衍射波段的衍射效率受对应的射频驱动信号功率的控制。因此，可以通过控制驱动频率个数、频率间隔以及功率实现光谱响应电调节。

发明内容：

本发明的目的在于提出一种多频率驱动声光可调谐滤波器实现光谱响应电调节的装置，解决成像光谱遥感中面向目标特性的适应性问题。

(1)装置结构及功能

本发明的装置如图1所示，主要包括控制器1、多通道射频发生器2、射频合路器3、功率放大器4、声光可调谐滤波器5。控制器1可以是台式计算机、便携式计算机、片上计算机、专用控制芯片等，用于控制多通道射频发生器2产生多个不同频率的射频驱动信号。多通道射频发生器的通道数大于2，各通道信号的开/关、频率、功率均由控制器1分别控制。各路驱动频率经过射频合路器3合成以及功率放大器4放大后，驱动声光可调谐滤波器5。声光可调谐滤波器可以选择不同的光谱范围，例如可见近红外(400～1000nm)、短波红外(1000nm～2500nm)或中波红外(3um～5um)等。6为入射光，如目标反射或自发辐射的复色光。入射光中与任一驱动频率满足动量匹配条件的光波矢都将发生衍射，形成衍射光7。其余未发生衍射的光沿原路径传播。

通过本发明所述装置实现光谱响应电调节的具体方法包括多波段任意组合、光谱分辨率的调节以及光谱响应曲线形状的调节。

(2)多波段任意组合

当施加单频驱动信号时，7为具有一定中心波长及带宽的准单色光；同时施加多个间隔较大的驱动频率，7为具有多个离散波段的复色光，如图2所示：

①单独施加频率为f₁的驱动信号，中心波长为λ₁的波段发生衍射。

②单独施加频率为f₂的驱动信号，中心波长为λ₂的波段发生衍射。

③同时施加两个离散且间隔较大的驱动频率f₁和f₂时，7中也包含了两个离散波段，如图2(b)所示。

④依此类推，对声光可调谐滤波器同时施加多个驱动频率，7中将包含多个对应的波段。

(3)光谱分辨率的调节

减小各驱动频率的间隔，使相邻衍射波段部分重合，叠加为一个带宽扩展的光谱波段，即可以改变光谱分辨率，其原理如图3所示：

①单独施加频率为f₁的驱动信号，衍射中心波长为λ₁，光谱分辨率为Δλ₁。

②单独施加频率为f₂的驱动信号，衍射中心波长为λ₂，光谱分辨率为Δλ₂。

③同时施加f₁和f₂且|f₁-f₂|较小使两个衍射波段部分重叠时，两个衍射波段合成为一个光谱包络，中心波长变为λ，光谱分辨率展宽为Δλ，如图3(b)所示。

④依此类推，改变驱动频率个数，或调整频率间隔，都可以改变光谱分辨率。

(4)光谱响应曲线形状的调节

声光可调谐滤波器5的衍射效率受驱动信号功率的影响，在衍射效率未饱和的情况下，增大或减小某一驱动频率的功率可以提高或降低对应波段的衍射效率。如图2(b)中，η₁受f₁功率的影响和控制，η₂受f₂功率的影响和控制。因此，在多频率驱动系统中，通过调整各驱动信号的功率，可以改变相应波长的衍射效率，从而控制光谱响应曲线的整体形状。图4和图5为同时施加5个正弦驱动信号时声光可调谐滤波器的光谱响应曲线。两幅图中，5个正弦驱动信号的频率相同，但功率不同，如图4(a)和图5(a)所示；得到的光谱响应曲线也具有不同的形状，图4(b)近似为矩形，图5(b)近似为高斯形。

本发明的优点在于：

(1)在快速目标探测或识别中，选取多个特征波段同时成像，可以有效减少探测和数据处理的时间，并在最大程度上提高目标与背景的对比度。

(2)利用光谱分辨率的调节能力，可根据不同目标的光谱特征，合理选择特征谱段并灵活配置光谱分辨率，既保证了信息的有效性，又减少了数据量，提高了光谱图像的数据效率和采集速度。

(3)通过光谱响应曲线形状的调节能力，可满足不同的应用需求及不同遥感数据处理算法的需要。

(4)无需改变或调整任何硬件，仅通过软件控制即可实现仪器光谱响应的电调节，简单方便，增强了硬件系统的通用性。

附图说明：

图1是本发明的实现装置示意图；

图中：1——控制器；

2——多通道射频发生器；

3——射频合路器；

4——功率放大器；

5——声光可调谐滤波器；

6——入射光；

7——衍射光。

图2(a)是射频驱动信号的功率谱，(b)是多波段任意组合示意图。

图3(a)是射频驱动信号的功率谱，(b)是光谱分辨率调节示意图。

图4(a)是射频驱动信号的功率谱，(b)是近似为矩形的光谱响应曲线。

图5(a)是射频驱动信号的功率谱，(b)是近似为高斯形的光谱响应曲线。

具体实施方式：

下面结合图1给出本发明的一个较好实施例，用以说明本发明的装置结构、功能原理和技术特点，而不是用来限定本发明的范围。

参阅图1，控制器1采用台式计算机，带有RS232串口用于控制多通道射频发生器2的工作。多通道射频发生器包含了12路独立的射频信号发生电路，并采用FPGA芯片作为通信器件，与控制器进行通信。射频信号发生电路采用ADI公司AD9910单片集成信号发生器。AD9910采用直接数字合成技术，内部集成了SPI通信模块、锁相环、相位寄存器、相位累加器、正弦幅度表、数模转换器等，输出信号的频率、幅度均由内部寄存器进行数字化控制，系统时钟最高可达1GHz，相应的输出频率范围0Hz～400MHz，可以满足绝大多数声光可调谐滤波器的工作需求。12片AD9910通过SPI总线与FPAG芯片相连。同时，FPGA通过串口与控制器1相连，接收控制器发来的通道地址和控制命令并通过SPI总线转发给相应通道的AD9910芯片。此外，多通道射频发生器中每一路独立通道都集成了LC低通滤波电路，并采用ADI公司ADL5530低噪声放大芯片进行信号放大。放大后的信号功率范围为-10～10dbm。射频合路器3采用美国Pulsar Microwave公司12路射频合路器，插入损耗2.0db，隔离度30db，单路最大输入功率1w，IM3小于-80dbc。功率放大器4采用美国PMI公司固定增益固态功放，工作频率10～500MHz，增益30db，P_1db大于35dbm。5选用美国Brimrose公司可见近红外声光可调谐滤波器，其技术指标如表1所示：

表1

Claims

1.一种多频率驱动声光可调谐滤波器实现光谱响应电调节的装置，它包括控制器(1)、多通道射频发生器(2)、射频合路器(3)、功率放大器(4)及声光可调谐滤波器(5)，其特征在于：

控制器(1)控制多通道射频发生器(2)产生2个或2个以上不同频率的射频驱动信号，各驱动频率通过射频合路器(3)和功率放大器(4)后对声光可调谐滤波器(5)进行驱动，使入射光(6)中2个或2个以上相对应的特定波段的光发生衍射，形成衍射光(7)，并对衍射光(7)的光谱进行多波段任意组合、光谱分辨率的调节以及光谱响应曲线形状的调节。

2.根据权利要求1所述的一种多频率驱动声光可调谐滤波器实现光谱响应电调节的装置，其特征在于：多通道射频发生器(2)的通道数大于2，各通道信号的开/关、频率、功率可分别控制；衍射波长受驱动信号频率的控制，衍射效率受驱动信号功率的控制。

3.根据权利要求1所述的一种多频率驱动声光可调谐滤波器实现光谱响应电调节的装置，其特征在于，所述的多波段任意组合方法为：同时对所述的声光可调谐滤波器(5)施加多个驱动频率并使由各频率产生的衍射波段不连续，则衍射光(7)为具有多个离散波段的复色光，各波段的中心波长由相应的驱动频率控制。

4.根据权利要求1所述的一种多频率驱动声光可调谐滤波器实现光谱响应电调节的装置，其特征在于，所述的光谱分辨率调节方法包括以下步骤：

A.同时对所述的声光可调谐滤波器(5)施加多个相近的驱动频率并使由各频率产生的相邻衍射波段部分重合，叠加为一个带宽扩展的光谱波段；

B.通过改变多通道射频发生器(2)输出的驱动频率个数和频率间隔，改变衍射光(7)的光谱带宽，从而实现光谱分辨率的调节。

5.根据权利要求1所述的一种多频率驱动声光可调谐滤波器实现光谱响应电调节的装置，其特征在于，所述的光谱响应曲线形状调节方法包括以下步骤：

A.在衍射效率未饱和的情况下，增大或减小某一驱动频率的功率来提高或降低对应波段的衍射效率；

B.通过调整多个驱动频率的功率，同时控制多个波段内的衍射效率；

C.当多个衍射波段部分重合叠加为一个宽波段时，控制该波段内各点的衍射效率，即实现了光谱响应曲线形状的调节。