一种非迭代式MOR标准光源及光谱模拟方法

本发明涉及气象光学视距计量与校准，具体涉及一种非迭代式mor标准光源及光谱模拟方法。

背景技术：

1、在气象学领域，能见度是航空、航海、交通运输及环境监测中不可或缺的关键观测参数。气象光学视程（meteorological optical range,mor）是能见度的核心指标，如何在满足mor定义的条件下实现准确、可靠的能见度观测，一直是本领域渴望解决的技术难题。

2、现有能见度校准技术虽已从外场对比演进至室内光学标定与环境模拟，却因始终无法真实模拟2700k标准色温光谱，未能实现向mor定义的直接溯源。与此同时，以数字微镜器件（dmd）为代表的光谱模拟技术为解决上述难题提供了新思路，相关研究已初步实现了对2700k色温光源的模拟，然而dmd本质上是一个二维闪耀光栅，其单个微镜的尺寸仅为微米量级，与工作波长（380~780nm）可比拟。当入射光照射至特定微镜时，由于光栅衍射效应，该微镜的调制光场会不可避免地泄漏至相邻微镜的空间区域，且这种串扰的强度分布近似服从高斯衰减规律。现有方法将各微镜视为彼此独立的理想调制单元，忽略了这一底层物理串扰，导致模拟光谱上始终存在一层难以消除的背景噪声，直接限制了光谱模拟精度的天花板。

3、现有技术为实现高精度光谱复现，需要宽谱光源经色散后在dmd表面形成精确的波长-空间映射，这要求光源发光面积足够大以保证光谱覆盖和能量均匀性；而mor定义要求输出光束为平行光束，即发散角须严格受控。发光面积越大，准直难度越高；准直约束越紧，耦合效率越低。两者在物理上相互制约，缺乏统一的物理模型进行一体化调控，使得现有方案只能在光谱精度与光束平行度之间做折中取舍，无法同时满足mor定义的双重要求。

4、现有光谱调制方法，均遵循：测量输出光谱、计算与目标光谱的偏差、调整dmd调制参数、再次测量的反馈闭环。每次测量环节引入的探测器噪声、杂散光干扰等随机误差，将在多轮迭代中逐步累积，使得最终收敛点依赖于迭代初值和步长选择，难以保证全局最优。此外，迭代次数与精度之间存在固有矛盾：要求精度越高，所需迭代轮次越多，系统实时性越差。

技术实现思路

1、针对现有技术难以同步高精度复现mor定义要求的光谱分布与光束平行度问题，本发明的目的是提出一种非迭代式mor标准光源及光谱模拟方法。建立光-机-电多物理场耦合数学模型，从物理机理层面揭示系统各模块间的协同作用；进而基于该模型设计一种可编程光谱整形与光束准直光学系统，为光谱与空间特性的协同调控提供一体化硬件基础；并在此基础上提出基于加权k-means聚类与粒子群优化协同的光谱模拟算法，通过在串扰物理模型约束下实现聚类中心的全局寻优，实现在非迭代框架下完成2700k色温标准黑体光谱的高精度复现。

2、所述光源包括：宽谱光源子系统、色散与光谱展宽子系统、可编程光谱调制子系统、匀光与混光子系统以及准直光束整形子系统；

3、宽谱光源子系统发射宽谱光束，在宽谱光束的出射光路上，设置色散与光谱展宽子系统，将宽谱光束按波长空间展开为离散谱线；

4、在离散谱线的出射光路上，设置可编程光谱调制子系统，根据目标光谱，针对离散谱线的各波长通道进行独立能量编码，得到调制后的离散谱线；

5、在调制后的离散谱线出射光路上，设置匀光与混光子系统，将调制后的离散谱线转换为空间分布均匀的连续光谱；

6、所述连续光谱，经准直光束整形子系统准直后，输出用于mor量值溯源的光源。

7、进一步，所述色散与光谱展宽子系统，采用交叉非对称型色散结构；

8、所述准直光束整形子系统，采用七片式双高斯结构；

9、所述可编程的光谱调制子系统包含一个数字微镜器件和一个控制单元；所述控制单元，用于根据非迭代式mor标准光源的光谱模拟方法，控制所述数字微镜器件对离散谱线进行调制。

10、一种非迭代式mor标准光源的光谱模拟方法，所述方法基于上述可编程的光谱调制子系统实现，所述方法包括如下步骤：

11、s1、获取目标光谱，并采用加权k-means算法，从目标光谱中，获得初始聚类中心波长，为初始聚类中心的索引值，，表示初始聚类中心的总数；

12、s2、构建数字微镜器件串扰模型；

13、s3、建立包含串扰效应的传输矩阵，用于表征各初始聚类中心对应的数字微镜调制单元在波长处对输出模拟光谱的贡献关系；

14、s4、构建多目标复合函数；

15、s5、采用粒子群优化算法对聚类中心波长向量进行全局寻优，将每个粒子的位置作为一组候选聚类中心波长，并以多目标复合函数作为优化目标，迭代更新粒子速度和位置，直至满足终止条件，得到全局最优聚类中心波长，表示最优聚类中心的总数，表示第个最优聚类中心波长；

16、s6、基于最优聚类中心波长，一次性求解各调制单元的最优调制系数以及最终调制系数；

17、s7、根据最优调制系数，对各调制单元对应的离散谱线进行调制，完成光谱模拟。

18、进一步，所述数字微镜器件串扰模型具体为：，其中，为经数字微镜器件调制后的总输出光谱光场强度，为数字微镜器件中，微镜的索引值，，为数字微镜器件中，微镜的总数，为波长下第个微镜自身反射率与相邻微镜串扰贡献叠加构成的传输系数，为波长下入射到数字微镜器件第个微镜的光场强度。

19、进一步，，其中，为数字微镜器件的初始调控向量，为在串扰影响下经数字微镜器件调制后输出的模拟光谱。

20、进一步，所述多目标复合函数为：，其中，、和为权重系数，为光谱匹配偏差，为在串扰影响下经数字微镜器件调制后输出的模拟光谱，为2700k色温标准黑体光谱，为相邻微镜之间的互扰误差，为模拟光谱和目标光谱的能量偏差。

21、进一步，最终调制系数的计算式为：

22、，其中，为由各光谱调制单元的等效传输函数离散采样得到的全局传输矩阵，为待求解的调制系数向量，为目标光谱，为第个光谱调制单元待求解的调制系数，每个光谱调制单元对应一个最优聚类中心；

23、求解时，先采用伪逆算法获得无约束最小二乘初始解，再结合非负最小二乘算法，在约束条件下进行求解，最终得到满足非负约束的最优调制系数向量，从而得到，，为第个光谱调制单元的调制系数。

24、进一步，根据最优调制系数，对各调制单元对应的离散谱线进行调制的计算式为：，其中，为在波长处的重构模拟光谱强度，为以为中心波长、为标准差的高斯光谱基函数，其中，第个优化后的聚类中心波长。

25、本发明所述方法的有益效果为：

26、（1）本发明通过硬件架构与智能算法的联合设计，以正向计算链路替代传统的“测量-反馈-调整”闭环迭代，从底层规避了迭代方法中探测器噪声与杂散光干扰的逐轮累积问题，同时突破了光谱精度与光束平行度之间长期存在的物理折中。

27、（2）本发明将宽谱光源、色散调制、匀光混光及准直整形五个子系统由相互独立的局部描述转化为沿光路方向传递的级联耦合关系，定量描述了光源发光面积、色散展宽、调制精度与准直度之间的相互制约规律，摆脱了现有方案对工程经验试错的依赖，为光学系统的协同优化提供了理论依据。

28、（3）本发明针对dmd作为二维闪耀光栅的本质特性，建立了相邻微镜间光学串扰的物理模型，将抑制串扰这一物理目标嵌入多目标优化框架中，使调制单元划分与权重分配在串扰物理约束下进行，消除了现有方法因忽略串扰而在模拟光谱上始终存在的背景噪声。

29、（4）本发明以加权k-means聚类提供具备明确物理意义的高质量初始解，以粒子群优化在多目标复合函数引导下完成全局寻优，在串扰物理模型约束下一次性地求解调制系数，避免了传统迭代优化算法中迭代收敛依赖于初值和步长选择的技术缺陷，同时显著提升了算法效率与系统实时性。