专利名称：一种声光可调谐滤波器高光谱成像仪射频驱动控制方法
技术领域：
本发明涉及一种声光可调谐滤波器高光谱成像仪射频驱动控制方法，用于优化声光可调谐滤波器高光谱成像仪的电子学设计，提高声光可调谐滤波器高光谱成像仪的整体性能。属于光电仪器设备技术领域。
背景技术：
声光可调谐滤波器(Acousto-optic Tunable Filter, A0TF)高光谱成像仪具有完全电控、无机械部件、波段切换灵活、成像速度快等优点，在精准农业、工业检测、军事探测等领域有了广泛的应用。AOTF高光谱成像仪主要由A0TF、射频驱动、探测器和光学镜片组成，其中，AOTF是一种电控的滤光器件，包括压电换能器、声光晶体和吸声体三部分，射频驱动信号经压电换能器转换为声波进入声光晶体，利用声波与光波的相互作用，可以将一束单色光从入射白光中衍射出来，实现滤光功能。通过改变加在AOTF上的射频驱动信号频率，就能衍射出不同波长的单色光。AOTF高光谱成像仪就是利用该单色衍射光成像，通过控制射频驱动信号频率改变成像波长，而探测器通常采用电荷耦合器件(Charge CoupledDevice, (XD)为感光芯片，以得到高质量的光谱图像数据。由于AOTF是在不同时刻衍射不同波长，然后探测器在不同波长下采集图像，所以，通常情况下，射频驱动一直开启，随着射频驱动信号频率的改变，工作波段切换，而在频率改变即波段切换时，触发探测器开始曝光，经一定积分时间后，探测器电荷转移和电荷读取，从而实现一个波段下图像的获取，再进入下一个波段。由于射频驱动一直开启，无论信号频率如何改变，AOTF衍射光总是存在，对成像应用的AOTF这会产生两个问题，一是AOTF衍射光一直照射于探测器感光芯片，对于某些感光芯片，在电荷转移以及读取的过程中，并不能同时实现有效电荷积累，此段时间内照射于感光芯片的AOTF衍射光是无效的，这造成了射频驱动信号能量的浪费；二是在感光芯片电荷转移过程中，AOTF衍射光照射在感光芯片上，这会使图像产生拖影，降低图像质量。

发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有AOTF高光谱成像仪射频驱动控制方式的缺点，提出一种降低功耗和抑制拖影的AOTF高光谱成像仪射频驱动控制方法。本发明的技术解决方案是提出一种AOTF高光谱成像仪射频驱动控制方法，实现射频驱动开关性控制且与探测器时序保持一致，首先，探测器积分时间开始时间点相对于工作波段切换时间点有一定延迟，在声波完全稳定后再进行成像，然后，在积分时间结束时，射频驱动关闭，探测器进入电荷转移和电荷读取，经过一段时间后，射频驱动开启并切换至下一个波段，再重复上述过程。在整个工作过程中，射频驱动出现了关闭时间段，减少了能量浪费，同时在电荷转移时，射频驱动关闭，无光线照射于探测器感光芯片，抑制了图 像拖影。本发明一种声光可调谐滤波器高光谱成像仪射频驱动控制方法，其具体步骤如下步骤一根据实际需求设置AOTF高光谱成像仪η个工作波段λ λ 2，……，λ η ;步骤二 根据实际需求设置每个工作波段λ)#应的探测器积分时间ti，其中，i =1，2，......，η ；步骤三根据AOTF中声波的传播原理计算AOTF高光谱成像仪工作波段切换时，声波的稳定时间At ; 步骤四根据探测器类型和工作模式计算第i个波段的积分时间结束时间点与第i+Ι个波段的积分时间开始时间点之间的时间间隔At' i，其中，i=l，2，……，n;步骤五根据步骤二设置的ti、步骤三计算的At和步骤四计算的At' i，设置每个工作波段XiT，射频驱动先开启，开启时间间隔为ti+At，再关闭，关闭时间间隔为At'厂厶 t,其中，i = 1，2，......, η ；步骤六根据步骤三计算的At，设置每个工作波段Ai下，探测器积分时间开始时间点比射频驱动输出信号开始时间点延迟At,其中，i = 1，2，......，n ；步骤七根据步骤五和步骤六完成AOTF高光谱成像仪射频驱动的控制。其中，步骤一中所述的η个工作波段X1, λ2,……，λη可设置为等间隔连续扫描形式，或者设置为不等间隔波段任意切换形式，或者设置为分段等间隔扫描的形式。其中，步骤二中所述的探测器积分时间\的设置应使AOTF高光谱成像仪在各波段响应一致，即使η (λ DQUJti为常数，式中，η Ui)为AOTF在波长λ i处的衍射效率，Q(Ai)为探测器在波长λ 的量子效率，i = 1,2,……，n。其中，步骤三中所述的工作波段切换时声波的稳定时间At的计算方法如下kt=^·式中，La为AOTF中声光晶体沿声波传播方向的长度，Va为声波在AOTF声光晶体中的传播速度。其中，步骤四中所述的第i个波段的积分时间结束时间点与第i+Ι个波段的积分时间开始时间点之间的时间间隔At' i，式中，i = 1,2,……，n，其计算方法如下①确定探测器类型，包括行间转移型(XD、帧转移型CXD和全帧型CXD ;②确定探测器工作模式，包括串行模式和并行模式，其中，全帧型CXD只有串行模式；③根据探测器类型和工作模式，计算第i个波段的积分时间结束时间点与第i+1个波段的积分时间开始时间点之间的时间间隔At' i :对于串行模式的行间转移型CCD和帧转移型(XD，时间间隔At',为At' =Δ ttrans+ Δ tread式中，Attans为探测器电荷转移时间，At—为探测器电荷读出时间，对于并行模式的行间转移型CCD和帧转移型CCD，当积分时间大于读出时间时，时间间隔At',为At'严 Attrans对于并行模式的行间转移型CCD和帧转移型CCD，当积分时间小于读出时间时，时间间隔At,,为
At' =Δ ttrans+ Δ tread+ti+1式中，ti+1为第i+1个波段的积分时间，当i = η时，ti+1=_ At，对于全帧型CCDj存在串行模式，时间间隔At',为 At' =Δ ttrans read式中，Λ ttrans_read为全帧型CCD电荷转移与读出时间。其中，步骤五中所述的射频驱动在工作波段AiT，先开启ti+At，再关闭At' ,-At,然后进行波段切换的同时再次开启，进入下一个工作波段，每个波段总的持续时间为 ti+At+At' j-Δ t=tj+A t' i,其中，i = l，2,......，n。本发明与现有技术相比的优点在于( I)采用了开关性的射频驱动信号，提高了射频驱动信号的能量利用率，尤其适用于红外和大口径等大功耗A0TF，以及快速成像时AOTF衍射光能量低的情况；(2)在探测器电荷转移的时间范围内，射频驱动信号关闭，无光线照射于感光芯片，抑制了图像拖影，提高了图像质量。


图I为本发明一种声光可调谐滤波器高光谱成像仪射频驱动控制方法的工作流程图；图2为本发明中采用串行模式帧转移型CCD的AOTF高光谱成像仪的相邻两个波段积分时间间隔At' ^勺计算示意图。图中符号说明如下η :工作波段数；Ai (i = 1,2,……，η):工作波段；\ (i = 1,2,……，η):各工作波段下的探测器积分时间；At :工作波段切换时，声波的稳定时间；At' i (i = 1,2,……，η):相邻两个工作波段下，前一个波段积分时间结束时间点与后一个波段积分时间开始时间点的间隔；Δ ttrans :探测器电荷转移时间；Δ tread :探测器电荷读出时间。
具体实施例方式为了更好的说明本发明一种AOTF高光谱成像仪射频驱动控制方法，AOTF高光谱成像仪选用串行模式帧转移型CCD作为探测器，见图1，本发明包括以下步骤步骤一根据实际需求设置AOTF高光谱成像仪100个工作波段，且设置为等间隔连续扫描形式，即A1, λ2,……，λ1(ΚΙ成等间隔分布；步骤二 根据实际需求设置每个工作波段Xi对应的探测器积分时间ti，在设置过程中，为了使AOTF高光谱成像仪在各波段响应一致，需根据AOTF在波长λ i处的衍射效率H(Ai)和探测器在波长Xi处的量子效率Q(Xi)，计算每个波段下积分时间\的相对关系，使η ( λ J Q ( λ J ti为常数，然后，根据外界光强的大小、信噪比和采集速度要求设置\的具体值，式中，i = 1，2，……，100 ；
步骤三根据AOTF中声波的传播原理计算AOTF高光谱成像仪工作波段切换时，声波的稳定时间△ t :工作波段切换时，射频驱动信号频率变化，从而使声光晶体中声波的频率发生变化，声波从声光晶体一面传播至相对的一面时，会有一定时间，在此段时间内，存在波段切换前的声波和波段切换后的声波，因此，此时的声波是不稳定的，只有当声波完全传播至相对的一面后，声波才完全稳定，所以声波的传播时间即为稳定时间At,即
权利要求
1.一种声光可调谐滤波器高光谱成像仪射频驱动控制方法，其特征在于该方法具体步骤如下 步骤一根据实际需求设置AOTF高光谱成像仪η个工作波段ApA2,……，λ η ; 步骤二 根据实际需求设置每个工作波段λ 1对应的探测器积分时间ti，其中，i=l, 2，......，η ； 步骤三根据AOTF中声波的传播原理计算AOTF高光谱成像仪工作波段切换时，声波的稳定时间At ； 步骤四根据探测器类型和工作模式计算第i个波段的积分时间结束时间点与第i+1个波段的积分时间开始时间点之间的时间间隔At' i，其中，i = 1,2,……，n ; 步骤五根据步骤二设置的步骤三计算的At和步骤四计算的At' i，设置每个工作波段XiT，射频驱动先开启，开启时间间隔为At，再关闭，关闭时间间隔为At'厂厶 t,其中，i = 1，2，......, η ； 步骤六根据步骤三计算的△〖，设置每个工作波段XiT，探测器积分时间开始时间点比射频驱动输出信号开始时间点延迟At,其中，i = 1，2，......，n ； 步骤七根据步骤五和步骤六完成AOTF高光谱成像仪射频驱动的控制。
2.根据权利要求I所述的一种声光可调谐滤波器高光谱成像仪射频驱动控制方法，其特征在于步骤一中所述的η个工作波段A1, λ2,……，λ 设置为等间隔连续扫描形式。
3.根据权利要求I所述的一种声光可调谐滤波器高光谱成像仪射频驱动控制方法，其特征在于步骤一中所述的η个工作波段A1, λ2,……，λ 设置为不等间隔波段任意切换形式。
4.根据权利要求I所述的一种声光可调谐滤波器高光谱成像仪射频驱动控制方法，其特征在于步骤一中所述的η个工作波段A1, λ2,……，λη设置为分段等间隔扫描的形式。
5.根据权利要求I所述的一种声光可调谐滤波器高光谱成像仪射频驱动控制方法，其特征在于步骤二中所述的探测器积分时间\的设置应使AOTF高光谱成像仪在各波段响应一致，即使η (λ DQO Dti为常数,式中，IlOi)为AOTF在波长λ 的衍射效率，Q(Ai)为探测器在波长λ 的量子效率，i = 1,2,……，n。
6.根据权利要求I所述的一种声光可调谐滤波器高光谱成像仪射频驱动控制方法，其特征在于步骤三中所述的工作波段切换时声波的稳定时间At的计算方法如下Δ/ =^tl 式中，La为AOTF中声光晶体沿声波传播方向的长度，Va为声波在AOTF声光晶体中的传播速度。
7.根据权利要求I所述的一种声光可调谐滤波器高光谱成像仪射频驱动控制方法，其特征在于步骤四中所述的第i个波段的积分时间结束时间点与第i+Ι个波段的积分时间开始时间点之间的时间间隔At' i，式中，i = l，2，……，n，其计算方法如下 ①确定探测器类型，包括行间转移型CCD、帧转移型CCD和全帧型CCD； ②确定探测器工作模式，包括串行模式和并行模式，其中，全帧型CCD只有串行模式； ③根据探测器类型和工作模式，计算第i个波段的积分时间结束时间点与第i+Ι个波段的积分时间开始时间点之间的时间间隔At' i :对于串行模式的行间转移型CCD和帧转移型(XD，时间间隔At',为 a^' i=A ^trans+ Δ ^read 式中，Attrans为探测器电荷转移时间，At—为探测器电荷读出时间，对于并行模式的行间转移型CCD和帧转移型CCD，当积分时间大于读出时间时，时间间隔At',为At' =Δ ttrans 对于并行模式的行间转移型CCD和帧转移型CCD，当积分时间小于读出时间时，时间间隔 At' J Α^' i=A ttrans+ Δ tread_ti+1 式中，ti+1为第i+1个波段的积分时间，当i = η时，ti+1=-At，对于全帧型(XD，只存在串行模式，时间间隔At',为At i A ^transread 式中，Δ ttrans_read为全帧型CCD电荷转移与读出时间。
8.根据权利要求I所述的一种声光可调谐滤波器高光谱成像仪射频驱动控制方法，其特征在于步骤五中所述的射频驱动在工作波段λ i下，先开启Λ t，再关闭Λ t' -At,然后进行波段切换的同时再次开启，进入下一个工作波段，每个波段总的持续时间为tj+ Δ t+ Δ t; J-At = tj+ Δ t1 !，其中，i = l，2,......，n。
全文摘要
一种声光可调谐滤波器高光谱成像仪射频驱动控制方法包括以下步骤(1)根据实际需求设置声光可调谐滤波器高光谱成像仪多个工作波段；(2)根据实际需求设置每个工作波段下探测器的积分时间；(3)计算声光可调谐滤波器高光谱成像仪工作波段切换时，声光可调谐滤波器中的声波的稳定时间；(4)根据探测器积分时间、电荷转移和读出时间计算相邻两个波段，前一个波段的积分时间结束时间点与后一个波段的积分时间开始时间点之间的间隔；(5)根据积分时间、声波稳定时间和相邻两个波段的积分时间间隔计算并设置射频驱动的开关时序；(6)根据声波稳定时间设置探测器积分时间开始时间点；(7)完成声光可调谐滤波器高光谱成像仪射频驱动控制。
文档编号G01J3/28GK102645278SQ201210137748
公开日2012年8月22日 申请日期2012年5月7日 优先权日2012年5月7日
发明者周鹏威, 张颖, 李冲冲, 赵慧洁 申请人:北京航空航天大学