Bandwidth regulation and control method for acousto-optic tunable filtering type spectral imager
附图说明 图1为本发明一种声光可调谐滤波式成像光谱仪带宽调控方法的工作流程图； 图2为本发明AOTF射频驱动和探测器同步硬件触发原理图； 图3为本发明一种声光可调谐滤波式成像光谱仪带宽调控方法的效果示意图； 图中符号说明如下： Δλbw:目标光谱带宽 n：参与叠加工作波段数 λi(i＝1，2，……，n)：工作波段中心波长 ti(i＝1，2，……，n)：探测器在对应波段下的积分时间 t0：探测器实际总积分时间 具体实施案例 如图1所示，本发明包括以下步骤： 步骤一：根据实际需求确定AOTF光谱成像仪的目标光谱带宽为Δλbw＝50nm、叠加波段数n＝24和起始波段中心波长λ1＝500nm 步骤二：由步骤一中Δλbw＝50nm、n＝24和λ1＝500nm，根据Δλi＝dΔλbwi、λi＝λi-1+Δλi和寻找Δλbw与Δλbwd最接近时对应的d值，计算参与带宽调控叠加的其他23个工作波段中心波长λ2，……，λ24为： λi＝λi-1+dΔλbwi 式中，i＝2，3，……，24，λi为第i个工作波段中心波长，Δλbwi为第i个波段的带宽。 步骤三：根据实际需求设置第一个工作波段下探测器的积分时间t1＝40ms； 步骤四：根据AOTF光谱成像仪在步骤二中的24个工作波段的衍射效率、量子效率和步骤三中第一个工作波段下探测器的积分时间t1，计算其它工作波段的下探测器的积分时间t2，t3，……，t24为： 式中：η(λ1)为AOTF在波长λ1处的衍射效率，Q(λ1)为AOTF在波长λ1处的量子效率，η(λi)为AOTF在波长λi处的衍射效率，Q(λi)为AOTF在波长λi处的量子效率，i＝2,3，……，24，t1为步骤三中设置的第一个工作波段对应的探测器的积分时间。 步骤五：由步骤四中24个波段的积分时间t1，t2，t3，……，t24，计算目标光谱带宽对应的探测器实际积分时间t0： 步骤六：使用FPGA实现AOTF射频驱动与探测器的工作模式为同步硬件触发,时序工作原理如图2所示，设置探测器的积分时间为t0。 步骤七：根据步骤四、步骤五和步骤六，完成声光可调谐滤波式光谱成像仪带宽调控，最终AOTF光谱成像仪输出的光谱带宽为50nm左右，效果示意图见图3。 技术领域 本发明涉及一种声光可调谐滤波式光谱成像仪带宽调控方法，用于实现根据实际应用需求将声光可调谐滤波式光谱成像仪的光谱带宽进行调控，拓展声光可调谐滤波式光谱成像仪的应用场景。属于光谱成像探测领域。 背景技术 声光可调谐滤波式光谱成像仪采用声光可调谐滤波器(Acousto-optic TunableFilter，AOTF)作为分光元件，具有凝视型成像、波段切换灵活、成像速度快、无运动部件等优点，在矿产资源勘探、大气科学、环境监测、军事侦察等领域得到广泛应用。AOTF的结构主要包括五部分：声光晶体、压电换能器、阻抗匹配网络、吸声体和外壳。AOTF的工作流程为：当一束非偏振全色光入射AOTF时，由于声光晶体的双折射作用，非偏振全色光变为o光和e光；射频驱动器产生特定频率的正弦波，经阻抗匹配网络作用于压电换能器，从而产生特定频率和强度的超声波；在压电晶体内，超声波与入射光发生声光互作用，产生衍射光。因此，AOTF的功能可以总结为：通过控制输入电信号的频率和大小，从一束复色光中选择特定波长的单色光。当AOTF光谱成像仪完成切型设计、加工、装配后，光谱成像仪的性能参数固定，即AOTF的光谱带宽随着器件参数和中心波长的确定而固定，无法通过改变输入电信号的频率实现光谱带宽的调控。在实际应用中AOTF光谱成像仪的光谱带宽较窄，因此单帧光谱图像收集到来自探测目标的辐射能量很少，这使得AOTF光谱成像仪的探测能力受限。 发明内容 本发明的技术解决问题是：克服现有AOTF光谱成像仪带宽不可调控的缺点，提出了一种通过多个光谱通道信号的叠加来调控AOTF带宽的带宽调控方法。 本发明的技术解决方案是：提出一种AOTF光谱成像仪带宽调控方法，实现AOTF光谱成像仪的带宽的拓宽，首先，将AOTF射频驱动与探测器的工作模式设置为同步硬件触发，即AOTF开始切换为第一个波段，探测器开始对该波段的信号积分，然后，当AOTF切换为第二个波段时，探测器依然处于积分状态，最终，直至AOTF切换至最后一个波段并经历最后一个波段的积分时间，探测器停止积分并进行电荷转移和读取。在整个过程中，探测器对多个波段进行积分，使得多个光谱通道信号叠加，实现了AOTF带宽的调控。 本发明为一种声光可调谐滤波式光谱成像仪带宽调控方法，其具体步骤如下： 步骤一：根据实际需求确定AOTF光谱成像仪的目标光谱带宽为Δλbw、叠加波段数n和起始波段中心波长λ1 步骤二：根据目标光谱带宽Δλbw、叠加波段数n、起始波段中心波长λ1和光谱成像仪的光谱特性，计算参与叠加的其它个n-1个工作波段的中心波长λ2，……，λn； 步骤三：根据实际需求确定第一个工作波段下探测器的积分时间t1； 步骤四：根据AOTF光谱成像仪在步骤二中的n个工作波段的衍射效率、量子效率和步骤三中第一个工作波段下探测器的积分时间t1，计算其它工作波段下探测器的积分时间ti，其中i＝2，3，……，n； 步骤五：根据各波段下探测器的积分时间计算目标光谱带宽对应的探测器实际积分时间t0 步骤六：设置声光可调谐滤波器射频驱动与探测器的工作模式为同步硬件触发； 步骤七：根据步骤四、步骤五和步骤六，完成声光可调谐滤波器成像光谱仪的光谱带宽调控。 其中，步骤二中所述的一种声光可调谐滤波式光谱成像仪带宽调控方法，其特征在于：步骤二所述的计算参与叠加的其它n-1个工作波段中心波长λ2，……，λn的计算方法如下： 由设置的起始波段中心波长λ1，以及该波段的归一化光谱响应曲线和带宽Δλbw1，设置第i-1波段与第i波段中心波长之间的距离，即采样间隔为Δλi： Δλi＝dΔλbwi 式中，d为采样系数，取值范围为0<d<1，Δλbwi为第i-1波段的带宽，则i＝2，3，……，n 由采样间隔为Δλi可以计算第i个波段中心波长的初步估计值： λi＝λi-1+Δλi 由初步估计的各个波段中心波长，可以计算由这n个波段归一化光谱响应曲线的叠加hd(λ)为： 式中为第1个波段的归一化光谱响应曲线，为第i个波段的归一化光谱响应曲线，i＝2，3，……，n hd(λ)即为采样系数为d时的叠加光谱响应函数，由该曲线可以确定光谱半高宽Δλbwd，在0-1取值范围内遍历d，这样便得到采样系数d与光谱半高宽Δλbwd的对应关系，d最终取Δλbwd与Δλbw最接近时的Δλbwd对应的d值；得到d值后，再次根据Δλi＝dλbwi和λi＝λi-1+Δλi，i＝2，3，……，n，从而最终确定各波段中心波长λ1，λ2，……，λn。 其中，步骤四中所述的第二个工作波段至第n个工作波段对应的探测器积分时间t2，t3，……，tn，其计算方法如下： 式中：η(λ1)为AOTF在波长λ1处的衍射效率，Q(λ1)为AOTF在波长λ1处的量子效率，η(λi)为AOTF在中心波长λi处的衍射效率，Q(λi)为AOTF在中心波长λi处的量子效率，i＝2，3，……，n，t1为步骤三中设置的第一个工作波段对应的探测器的积分时间。 其中，步骤五中所述的目标光谱带宽对应的探测器实际积分时间t0，其计算方法如下： 式中ti为第i波段对应的探测器的积分时间，i＝2，3，……，n。 本发明与现有技术相比的优点在于： (1)可根据现有AOTF光谱成像仪，将AOTF光谱成像仪带宽调控至实际应用中所需要的目标光谱带宽，适用于成像目标光谱曲线精细度不高、目标能量较弱的探测场景。 (2)拓展AOTF带宽时，更多光谱通道的信号被探测器接收，有利于提高光谱仪的成像质量。 A bandwidth regulation and control method for an acousto-optic tunable filtering type spectral imager realizes spectral bandwidth regulation and control through superposition of a plurality of spectral channel signals, and comprises the following steps: (1) determining a target spectral bandwidth, the number of superposed working wavebands and the central wavelength of an initial waveband according to actual requirements; (2) calculating the central wavelength of the working wave band participating in superposition according to the target spectral bandwidth, the number of superposed working wave bands, the central wavelength of the initial wave band and the spectral characteristics of the spectral imager; (3) determining the integral time of the first working wave band according to actual requirements; (4) calculating the integral time of other working wavebands according to the diffraction efficiency and quantum efficiency of the spectral imager and the integral time of the first working waveband; (5) calculating the actual integral time of the detector according to the integral time of each wave band; (6) setting the working mode of the spectrum imager radio frequency driving and detector as synchronous hardware triggering; and (7) completing bandwidth regulation and control of the acousto-optic tunable filtering type spectral imager. 1.一种声光可调谐滤波式光谱成像仪带宽调控方法，其特征在于：该方法具体步骤如下： 步骤一：根据实际需求确定光谱成像仪的目标光谱带宽为Δλbw、叠加波段数n和起始波段中心波长λ1 步骤二：根据目标光谱带宽Δλbw、叠加波段数n、起始波段中心波长λ1和光谱成像仪的光谱特性，计算参与带宽调控叠加的其它n-1个工作波段中心波长λ2，……，λn； 步骤三：根据实际需求设置第一个工作波段下探测器的积分时间t1； 步骤四：根据光谱成像仪在步骤二中的n个工作波段的衍射效率、量子效率和步骤三中第一个工作波段下探测器的积分时间t1，计算其它工作波段的下探测器的积分时间ti，其中i＝2，3，……，n； 步骤五：根据各波段下的探测器的积分时间计算并设置目标光谱带宽对应的探测器实际积分时间t0 步骤六：设置光谱成像仪的射频驱动与探测器的工作模式为同步硬件触发，光谱成像仪开始扫描设置的各个波段，在射频驱动切换至第一个波段时，探测器开始积分，光谱成像仪每个频率持续的时间为ti，探测器设置的积分时间为t0，当射频驱动第n个波段扫描完毕，探测器的积分时间达到t0从而结束积分，光谱成像仪输出图像数据； 步骤七：根据步骤四、步骤五和步骤六，完成声光可调谐滤波式光谱成像仪带宽调控。 2.根据权利要求1所述的一种声光可调谐滤波式光谱成像仪带宽调控方法，其特征在于：步骤一中所述的目标光谱带宽Δλbw大于该声光可调谐滤波式光谱成像仪任意单个工作波段的光谱带宽。 3.根据权利要求1所述的一种声光可调谐滤波式光谱成像仪带宽调控方法，其特征在于：步骤二所述的光谱成像仪的光谱特性指任意波段下的归一化光谱响应函数和带宽。 4.根据权利要求1所述的一种声光可调谐滤波式光谱成像仪带宽调控方法，其特征在于：步骤二所述的计算参与叠加的其它n-1个工作波段中心波长λ2，……，λn的计算方法如下： 由设置的起始波段λ1，以及该波段的归一化光谱响应曲线和带宽Δλbw1，设置第i-1波段与第i波段的间隔为Δλi： Δλi＝dΔλbwi 式中，d为采样系数，取值范围为0<d<1，Δλbwi为第i-1波段的带宽，则i＝2，3，……，n可以计算第i个波段中心波长的初步估计值： λi＝λi-1+Δλi 由初步估计的各个波段，可以计算由这n个波段归一化光谱响应曲线的叠加hd(λ)为： 式中为第1个波段的归一化光谱响应曲线，为第i个波段的归一化光谱响应曲线，i＝2，3，……，n，hd(λ)即为采样系数为d时的叠加光谱响应函数，由该曲线可以确定光谱半高宽Δλbwd，在0-1取值范围内遍历d，这样便得到采样系数d与光谱半高宽λbwd的对应关系，d最终取Δλbwd与Δλbw最接近时的Δλbwd对应的d值； 在得到d的值后，根据Δλi＝dΔλbwi和λi＝λi-1+Δλi，i＝2，3，……，n，从而确定最终各波段的中心波长：λ1，λ2，……，λn。 5.根据权利要求1所述的一种声光可调谐滤波式光谱成像仪带宽调控方法，其特征在于：步骤四中第二个工作波段至第n个工作波段对应的探测器积分时间t2，t3，……，tn，其计算方法如下： 式中：η(λ1)为AOTF在中心波长λ1处的衍射效率，Q(λ1)为AOTF在中心波长λ1处的量子效率，η(λi)为AOTF在中心波长λi处的衍射效率，Q(λi)为AOTF在中心波长λi处的量子效率，i＝2，3，……，n，t1为步骤三中设置的第一个工作波段对应的探测器的积分时间。 6.根据权利要求1所述的一种声光可调谐滤波式光谱成像仪带宽调控方法，其特征在于：步骤五中根据各波段下的探测器的积分时间计算目标光谱带宽对应的探测器实际积分时间t0，其计算方法如下： 式中ti为第i波段对应的探测器的积分时间，i＝2，3，……，n。