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基于液晶的光谱成像技术及其应用研究

沈志学  
【摘要】:基于液晶的光谱成像技术利用液晶材料的电控双折射效应实现光谱扫描,采用面阵凝视成像方式,可获取目标的高空间分辨率和高光谱分辨率光谱图像,并且该技术可使光谱成像系统具有较小的体积、重量和功耗,使用起来灵活方便,因此受到广泛的关注。但是,与美国、日本等国家相比,目前国内在液晶光谱成像关键技术的研究滞后得多,尚未实现液晶光谱成像关键器件(即液晶可调滤光片)的技术突破,大量液晶光谱成像技术的工程应用性探索仍然需要从国外进口关键器件。由于国外器件在性能指标、出口许可以及对二次开发的限制等因素的制约,在应用领域、应用方式和应用效果等方面受到不同程度的限制,不能充分发挥液晶光谱成像技术本身的特点和优势。 本文首先基于连续弹性体理论,利用变分原理和差分迭代算法,对液晶材料在外加电场作用下的分子指向矢分布进行了数值模拟。根据在光斜入射情况下液晶器件的传输模型,数值模拟了斜入射情况下液晶器件的透过率角向分布,在此基础上重点分析了液晶器件的视角对称性。在综合考虑液晶可调滤光片光电性能参数的基础上,以改善视角特性、增大液晶可调滤光片的视场角为目的,提出了改进型Lyot型液晶可调滤光片结构,并对其透过光谱特性、重点对视角对称性问题进行了研究。 研制了分别在可见光波段、可见光-近红外波段工作的两种液晶可调滤光片,利用数据拟合方法得到了液晶可调滤光片的驱动方程,实现了工作谱段和光谱扫描步长的实时任意调整,提高了液晶可调滤光片应用的灵活性和便宜性。 研制了通用型液晶光谱成像系统,通过开展空间分辨率测试、环境温度适应性测试以及静态光谱成像测试,检验了该系统的主要技术指标、工作性能和可靠性。利用研制的液晶光谱成像系统,初步开展了机载遥感应用研究,结果表明,该系统可以适应飞机振动、高速运动、低温环境和快速温度变化等机载平台环境,能够可靠地获得地面场景中不同物体的光谱图像数据。利用光谱图像数据,结合光谱信息提取和目标分类识别相关算法,可稳定可靠地对地物进行分类和辨识。 通过本文的探索和研究,逐步掌握了液晶光谱成像关键技术,基本解决了液晶光谱成像技术的工程应用问题,为液晶光谱技术的推广和应用奠定了基础。


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