用于羽焰辐射特性测量的快照式短波红外成像光谱仪关键技术研究

【摘要】：随着光谱成像技术的不断进步,如何能够快速得到目标的三维图谱信息成为国内外的研究重点之一。压缩感知理论及编码孔径快照式成像光谱仪(CASSI)理论模型的提出为其带来极大的理论支撑,有望突破传统光谱成像技术的缺点,在空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率上得到综合提高。本文基于靶场光学测量技术的应用背景,对双相机编码孔径快照式短波红外成像光谱仪关键技术展开研究,主要工作和创新点体现在以下几个方面:1.传统靶场光学测量只能对火箭等目标的空间姿态和角度进行测量。本文在对固体发动机火箭羽焰光谱辐射特性进行研究后,提出采用双相机编码孔径快照式短波红外成像光谱仪对火箭及其固体发动机羽焰进行靶场光学测量,这样既可以获取火箭飞行姿态信息和角度信息,还可以实时获取固体发动机整个羽焰的多光谱图像信息,有效丰富待测目标的测量数据量,对于实时记录推进剂燃烧状态和发动机工作状态具有重要意义。之后对双相机编码孔径快照式短波红外成像光谱仪进行数学建模,该模型定量给出所提系统对待测目标光场信息的整个调制过程,为之后的研究奠定理论基础。最后对双相机编码孔径快照式短波红外成像光谱仪的理论测温精度进行详细仿真分析。2.对双相机编码孔径快照式短波红外成像光谱仪光学系统中的分光系统进行研究,基于Offner分光系统的理论计算模型建立了Offner-Wynne分光系统的理论计算模型,并对Offner分光系统和Offner-Wynne分光系统进行计算模拟分析和对比。模拟结果显示在保证良好的成像质量前提下,Offner-Wynne分光系统可以允许更大的入射角和更小的F数。因此,Offner-Wynne分光系统更适合应用在双相机编码孔径快照式短波红外成像光谱仪光学系统中。在进一步对Offner-Wynne分光系统进行光学设计时,结合所提出的Offner-Wynne分光系统理论计算模型,推导出Offner-Wynne分光系统的初始结构计算方法,对Offner-Wynne分光系统的设计具有一定指导意义。此外,针对Offner-Wynne分光系统反射光学元件光轴一致性精度要求高的问题,提出具有光轴一致性微调结构的镜筒设计方法,该方法可适用在任意具有两个反射元件的光学系统中,有利于提高系统的光轴一致性和稳定性,为Offner-Wynne分光系统工程化提供重要支撑。3.结合课题的研究背景,基于现有双相机编码孔径快照式短波红外成像光谱仪光学系统的特点,对其进行优化设计。所设计的双相机编码孔径快照式短波红外成像光谱仪光学系统工作波段范围在900nm～1700nm,焦距为1200mm,包括短波红外成像系统和单色散编码孔径快照式短波红外光谱成像系统两个部分,两部分各关键技术参数相同且没有视轴差,理论上后期无需图像对准即可进行短波红外多光谱图像融合,这种设计方法能够有效提高双相机编码孔径快照式短波红外成像光谱仪的实时性、紧凑性和光学透过率,利于在靶场光学测量场景中应用。4.根据双相机编码孔径快照式短波红外成像光谱仪的特点,提出基于非下采样剪切波变换和改进脉冲耦合神经网络模型的短波红外多光谱图像融合算法。短波红外图像和短波红外多光谱图像的低频子带系数采用区域方差取大和加权平均的融合规则,高频子带系数部分采用改进脉冲耦合神经网络模型与区域方差相结合的融合法则。实验结果表明,所提出的短波红外多光谱图像融合算法具有良好的鲁棒性且在客观评价指标上优于所选取的其他常用融合方法。