一种星载定标光谱光源的设计方法技术

本发明专利技术涉及一种星载定标光谱光源的设计方法，通过挑选若干种650‑1700nm波段间的单色LED灯珠构成初始光谱光源；采用遗传算法计算得到适应度值最小的填充染色体通过控制单色LED灯珠的输出强度来填充所述初始光谱光源的能量空隙；挑选若干种完全覆盖650‑1700nm波段的带通滤光镜组成光谱光源滤除系统；采用所述遗传算法计算得到适应度值最小的滤除染色体，通过控制所述光谱光源滤除系统滤掉所述填充光谱光源的多余能量得到滤除光谱光源，当前所述滤除光谱光源已达到要求且50nm内的平均误差小于等于5％。本发明专利技术提出一种与目标光源的光谱高度匹配的星载定标光谱光源的设计方法，解决了采用所述单色LED灯珠直接构成的所述星载定标光谱光源存在能量空隙的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种星载定标光谱光源的设计方法
本专利技术涉及星载定标光源
，尤其涉及一种星载定标光谱光源的设计方法。
技术介绍
航天飞行和星空探测是我国军事国防的重点发展方向，与之密切相关的太阳辐射计、星载光度计以及各种光谱仪器随着在轨时间的增加以及空间强辐射粒子的破坏，导致的器件性能发生漂移，因此为了保证上述在轨飞行的光谱仪器保持良好的工作性能，需要根据光谱仪器检测对象光谱的特征对其进行在轨光谱响应曲线定标。为保证定标效果，减小遥感探测器的测量误差，提高测量精度，应使定标光源(光谱分布可调光源)所发相对光谱功率分布与在轨仪器实际运行时所检测的目标光源达到最高的光谱匹配度(亦称光谱近似度)，对定标光谱光源与目标光源的光谱匹配度提出了很高的要求。发光二极管(LightEmittingDiode，LED)，具有安全、节能、体积小、重量轻、寿命长等多重特点，成功代替其他光源完成航天任务，充分显示了LED在空间应用的优越性和实用性。其所发光谱为窄带光谱，且不同峰值波长的产品非常丰富。因此利用光谱的叠加原理，不同峰值波长的多颗单色LED组成LED光谱分布可调光源阵列，理论上可以通过调节LED的辐射通量得到任意需要的光谱功率分布。然而现有技术制造出来的星载定标光谱光源匹配度不高、能量消耗大、效率低，不能满足星载定标光谱光源的要求。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出一种安全的，与目标光源的光谱高度匹配的星载定标光谱光源的设计方法，能够完全覆盖650-1700nm波段，解决星载定标光谱光源与目标光源之间存在能量空隙问题，实现高精度匹配。一种星载定标光谱光源的设计方法，包括以下步骤：步骤101：挑选若干种可见光到近红外波段间的单色LED灯珠来建立初始光谱光源；步骤102：基于步骤101得到的所述初始光谱光源，采用遗传算法求解得到适应度值最小的填充染色体，通过所述填充染色体控制所述单色LED灯珠输出强度实现所述初始光谱光源能量空隙的填充，获得填充光谱光源；步骤103：基于步骤102得到的所述填充光谱光源，通过挑选若干种完全覆盖可见光到近红外波段间带通滤光镜组成的光谱光源滤除系统，采用所述遗传算法求解得到适应度值最小的滤除染色体，由适应度值最小的滤除染色体控制所述光谱光源滤除系统滤除所述填充光谱光源的多余能量，得到所述星载定标光谱光源。进一步地，在步骤101中，所述若干种单色LED灯珠为a种，那么所述a种单色LED灯珠构成的所述初始光谱光源为其中，Sj(λ)表示某一种单色LED光谱光源，nj表示某一种单色LED输出强度。步骤102还包括如下步骤：步骤201：根据所述初始光谱光源建立第一最小优化目标为E1＝∑|e1(i)|其中，选取所述可见光到近红外波段为650-1700nm并均分为若干段，e1(i)是第i个分段的第一惩罚误差，所述第一最小优化目标E1是所有分段的第一惩罚误差的绝对值之和；第i个分段的所述第一惩罚误差为其中，e50nm1(i)是第i个分段内的第一平均误差，P1是第一惩罚系数；第i个分段内的所述第一平均误差为其中，S0(λ)是上述所述初始光谱光源，P(λ)是目标光谱；对于上述所述第一平均误差的绝对值在5％以内的分段，其所述第一惩罚误差为0，对于所述第一平均误差低于-5％的分段，其所述第一惩罚误差为其低于-5％部分的误差乘以第一惩罚系数P1，对于所述第一平均误差高于5％的分段，其所述第一惩罚误差即为所述第一平均误差；步骤202：基于步骤201建立的所述第一最小优化目标，采用遗传算法求解适应度值最小的填充染色体并填充所述初始光谱光源的能量空隙。步骤202具体包括：步骤(1)：根据遗传算法对编码方式进行定义：单色LED输出强度nj转换为遗传算法中需要的编码串格式，编码过程采用二进制编码，nj用二进制串表示，将a个表示nj的二进制串首尾相接形成一个a段的染色体；定义nj为一个基因；步骤(2)：生成初始种群1：在[0,10]范围内随机选取一组二进制串nj，形成一个所述染色体；重复形成所述染色体操作直至所述染色体数目达到种群数M，M个所述染色体组成一个初始种群1；步骤(3)：适应度值计算：根据步骤201中的第一最小优化目标E1计算所述初始种群1中每条所述染色体的适应度值E1，E1即所述第一最小优化目标，根据编码方式将二进制编码转换为相应的单色LED输出强度，代入步骤201中的第一平均误差公式计算得到第一平均误差e50nm1(i)，再将e50nm1(i)代入第一惩罚误差公式得到第一惩罚误差e1(i)，再返回到第一最小优化目标E1计算得到第一最小优化目标E1；步骤(4)：复制操作：建立一个优化种群1，所述优化种群1开始种群数为零；根据步骤(3)得到的适应度值E1，选取所述初始种群1中适应度值E1最小的染色体放入所述优化种群1中；步骤(5)：交叉操作：按照设置的概率Pc进行交叉，随机选取所述优化种群1中的两条染色体，交换两条所述染色体的染色体段，产生两条新的染色体放入所述优化种群1中；步骤(6)：变异操作：按照设置的概率Pm进行变异，随机选取所述优化种群1中的一条染色体，分别在该条染色体的a段中提取任意一个基因nj进行数值的再生成，将生成的染色体放入所述优化种群1中；步骤(7)：补足操作：使用步骤(2)生成初始种群1的方法生成新的染色体，补足所述优化种群1中的染色体数至M；步骤(8)：循环迭代计算：对步骤(3)～(7)进行循环迭代计算，需要多次计算染色体的适应度值；若当前迭代次数达到设置的迭代次数，输出循环迭代过程中适应度值最小的染色体，进入步骤103；否则返回步骤(3)，继续进行循环迭代计算。根据步骤202得到的适应度值最小的染色体，得到以2550～31054K范围内普朗克能量为目标，经过能量填充后的填充光谱光源，根据nj的值，将所述各单色LED灯珠的输出强度调至nj，即得到填充能量空隙后的所述填充光谱光源。进一步地，步骤103具体还包括如下步骤：步骤301：根据步骤102得到的填充光谱光源，建立填充光谱光源的滤除系统，假设所述若干种带通滤光镜为b种并带有光阑，则所述填充光谱光源经过所述b种带通滤光镜过滤后得到的光谱光源为其中，S0(λ)是所述初始光谱光源，mi是所述b种带通滤光镜光阑的开度，Fi(λ)是所述b种带通滤光镜的光学传递函数；步骤302：根据步骤301得到的光谱光源S(λ)建立第二最小优化目标为E2＝∑|e2(i)|其中，选取所述可见光到近红外波段为650-1700nm波段并均分若干段，e2(i)是第i个分段的所述第二惩罚误差，所述第二最小优化目标E2是所有分段的第二惩罚误差的绝对值之和；第i个分段的所述第二惩罚误差为其中，e50nm2(i)是第i个分段内的第二平均误差，P2是第二惩罚系数；第i个分段内的所述第二平均误差为其中，S(λ)是上述所述光谱光源，P(λ)是所述目标光谱；对于所述第二平均误差的绝对值在5％以内的分段，其所述第二惩罚误差为0，对于所述第二平均误差绝对值在5％以外的分段，其所述第二惩罚误差为其超出或低于部分的误差乘以第二惩罚系数P2；步骤303：根据步骤302建立的第二最小优化目标，采用所述遗传算法求解并滤除所述填充光谱光源的多余能量。步骤303具体包括：步骤(一)：根据遗传算法对编码方式进行定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种星载定标光谱光源的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤101：挑选若干种可见光到近红外波段间的单色LED灯珠来建立初始光谱光源；步骤102：基于步骤101得到的所述初始光谱光源，采用遗传算法求解得到适应度值最小的填充染色体，通过所述填充染色体控制所述单色LED灯珠输出强度实现所述初始光谱光源能量空隙的填充，获得填充光谱光源；步骤103：基于步骤102得到的所述填充光谱光源，通过挑选若干种完全覆盖可见光到近红外波段间带通滤光镜组成的光谱光源滤除系统，采用所述遗传算法求解得到适应度值最小的滤除染色体，由适应度值最小的滤除染色体控制所述光谱光源滤除系统滤除所述填充光谱光源的多余能量，得到所述星载定标光谱光源。

【技术特征摘要】
1.一种星载定标光谱光源的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤101：挑选若干种可见光到近红外波段间的单色LED灯珠来建立初始光谱光源；步骤102：基于步骤101得到的所述初始光谱光源，采用遗传算法求解得到适应度值最小的填充染色体，通过所述填充染色体控制所述单色LED灯珠输出强度实现所述初始光谱光源能量空隙的填充，获得填充光谱光源；步骤103：基于步骤102得到的所述填充光谱光源，通过挑选若干种完全覆盖可见光到近红外波段间带通滤光镜组成的光谱光源滤除系统，采用所述遗传算法求解得到适应度值最小的滤除染色体，由适应度值最小的滤除染色体控制所述光谱光源滤除系统滤除所述填充光谱光源的多余能量，得到所述星载定标光谱光源。2.如权利要求1所述的星载定标光谱光源的设计方法，其特征在于：在步骤101中，所述若干种单色LED灯珠为a种，那么所述a种单色LED灯珠构成的所述初始光谱光源为其中，Sj(λ)表示某一种单色LED光谱光源，nj表示某一种单色LED输出强度。3.如权利要求1所述的星载定标光谱光源的设计方法，其特征在于：步骤102还包括如下步骤：步骤201：根据所述初始光谱光源建立第一最小优化目标为E1＝∑|e1(i)|其中，选取所述可见光到近红外波段为650-1700nm并均分为若干段，e1(i)是第i个分段的第一惩罚误差，所述第一最小优化目标E1是所有分段的第一惩罚误差的绝对值之和；第i个分段的所述第一惩罚误差为其中，e50nm1(i)是第i个分段内的第一平均误差，P1是第一惩罚系数；第i个分段内的所述第一平均误差为其中，S0(λ)是上述所述初始光谱光源，P(λ)是目标光谱；对于上述所述第一平均误差的绝对值在5％以内的分段，其所述第一惩罚误差为0，对于所述第一平均误差低于-5％的分段，其所述第一惩罚误差为其低于-5％部分的误差乘以第一惩罚系数P1，对于所述第一平均误差高于5％的分段，其所述第一惩罚误差即为所述第一平均误差；步骤202：基于步骤201建立的所述第一最小优化目标，采用遗传算法求解适应度值最小的填充染色体并填充所述初始光谱光源的能量空隙。4.如权利要求3所述的星载定标光谱光源的设计方法，其特征在于：步骤202具体包括：步骤(1)：根据遗传算法对编码方式进行定义：单色LED输出强度nj转换为遗传算法中需要的编码串格式，编码过程采用二进制编码，nj用二进制串表示，将a个表示nj的二进制串首尾相接形成一个a段的染色体；定义nj为一个基因；步骤(2)：生成初始种群1：在[0,10]范围内随机选取一组二进制串nj，形成一个所述染色体；重复形成所述染色体操作直至所述染色体数目达到种群数M，M个所述染色体组成一个初始种群1；步骤(3)：适应度值计算：根据步骤201中的第一最小优化目标E1计算所述初始种群1中每条所述染色体的适应度值E1，E1即所述第一最小优化目标，根据编码方式将二进制编码转换为相应的单色LED输出强度，代入步骤201中的第一平均误差公式计算得到第一平均误差e50nm1(i)，再将e50nm1(i)代入第一惩罚误差公式得到第一惩罚误差e1(i)，再返回到第一最小优化目标E1计算得到第一最小优化目标E1；步骤(4)：复制操作：建立一个优化种群1，所述优化种群1开始种群数为零；根据步骤(3)得到的适应度值E1，选取所述初始种群1中适应度值E1最小的染色体放入所述优化种群1中；步骤(5)：交叉操作：按照设置的概率Pc进行交叉，随机选取所述优化种群1中的两条染色体，交换两条所述染色体的染色体段，产生两条新的染色体放入所述优化种群1中；步骤(6)：变异操作：按照设置的概率Pm进行变异，随机选取所述优化种群1中的一条染色体，分别在该条染色体的a段中提取任意一个基因nj进行数值的再生成，将生成的染色体放入所述优化种群1中；步骤(7)：补足操作：使用步骤(2)生成初始种群1的方法生成新的染色体，补足所述优化种群1中的染色体数至M；步骤(8)：循环迭代计算：对步骤(3)～(7)进行循环迭代计算，需要多次计算染色体的适应度值；若当前迭代次数达到设置的迭代次数，输出循环迭代过程中适应...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晶晶，王鑫，刘石神，江晖，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42