高光谱成像仪中的Etalon效应研究

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1、博士学位论文高光谱成像仪中的Etalon效应研究作者姓名：胡彬林指导教师:刘银年研究员孙德新研究员中国科学院上海技术物理研究所学位类别:工学博士学科专业:电路与系统培养单位:中国科学院上海技术物理研究所2018年6月中国科学院大学研究生学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明或致谢。作者签名：日期：中国科学院大学学位论文授

2、权使用声明本人完全了解中国科学院大学有关保留，使用学位论文的规定，即：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文。本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将学位论文提交《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社，编入CNKI学位论文全文数据库并充实到“学位论文学术不端行为检测系统”比对资源库，同意按章程规定享受相关权益。保密论文在解密后遵守此规定。论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日ResearchontheEtal

3、oneffectinDispersiveHyperspectralImagersADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofEngineeringinElectronicScienceandTechnologyByHuBin-linSupervisor:ProfessorLi:uYinnianShanghaiInstituteofTechnicalPhys

4、ics,ChineseAcademyofSciencesJune,2018摘要摘要高光谱成像技术是遥感对地观测技术领域的重要手段，其探测灵敏度与定量化水平是保障数据应用质量的关键。背照式CCD以其优越的量子效率，将有效提高可见近红外高光谱成像仪的探测灵敏度。但高光谱成像仪等精细分光成像后，每个成像通道的光信号波段宽度约几个纳米，相干性好，照射到背照式CCD像元的单个像元上，由于背照式CCD的感光层较薄，入射光会穿透感光层在CCD内部来回多次反射而产生干涉，即Etalon效应。Etalon效应严重时会造成±25%甚至更大的信号调制度，对高光谱成像

5、数据的后续处理与应用造成极大的困难，严重降低了系统定量化精度。针对背照式CCD应用于高光谱成像仪带来的Etalon效应问题，论文从物理机理、数学建模与后续处理等方面展开了深入研究。与Fabry-Perot干涉仪的原理类似，背照式CCD内的各结构层（抗反射膜、耗尽区、氧化物涂层、多晶硅电极等）均可近似为平行平板。当单色性很好的光信号入射时，光线将在背照式CCD内部来回多次反射，发生平行平板多光束干涉效应。结合平行平板多光束干涉原理与CCD内部结构参数，论文建立了高光谱成像仪中Etalon效应的多层介质干涉模型。该模型揭示了CCD内部各物理层结构对

6、干涉条纹的贡献关系，确定了耗尽区对干涉条纹的主导作用。但该模型需要确定的结构参数较多，难度大。为此，将多层介质干涉模型简化为仅保留耗尽区的单层结构模型，其余结构参数的影响通过一个综合参数（精细度系数）进行表达，从而大幅简化了模型，提升了模型的实用性。结合模型，论文定量仿真分析了入射角、介质厚度、精细度系数、光谱分辨率、像元合并、入射光的光谱特征、CCD的工作温度等因素对干涉条纹的影响，揭示了干涉条纹在各影响因素下的变化规律。为验证Etalon效应的数学模型与相关分析的准确性，三台基于光栅分光、采用背照式减薄型CCD进行探测的可见近红外高光谱成像

7、仪被用于测试验证。论文搭建了Etalon效应的实验测试装置，并对系统进行了辐射响应特性与光谱响应特性的大量测试。结果表明实验测试数据与模型仿真分析具有很好的一致性。此外，光谱响应特性测试结果表明Etalon效应会导致高光谱成像仪在近红外波I高光谱成像仪中的Etalon效应研究段的光谱定标结果出现实测光谱响应曲线偏离其期望光谱响应的现象，从而造成近红外波段的光谱定标精度下降。为此，论文研究了Etalon效应对高光谱成像仪光谱定标的影响，并提出了光谱响应校正算法。应用该方法对高光谱成像仪的近红外波段的光谱定标数据进行校正，结果表明该方法能够有效校正

8、光谱定标过程中的Etalon效应，提升高光谱成像仪在近红外波段的光谱定标精度，满足光谱定标精度的要求。论文研究了Etalon效应对高光谱成像数据的影响