基于掩模技术的图谱合一测试结构

本发明属于动态燃烧流场图谱测量领域，特别是涉及一种基于掩模技术的图谱合一测试结构。

背景技术：

1、固体火箭发动机由于其简单性、可靠性和高推重比，在各种航天应用中被广泛使用。然而，在固体火箭发动机中监测尾焰温度存在重大挑战。现有的热测量技术往往缺乏所需的准确性、空间分辨率和实时性，无法精确测量尾焰关键区域的温度分布。

2、固体火箭发动机的热测量对于优化燃烧效率、预防故障和保障安全至关重要。现有的热测量系统在空间分辨率、光谱范围和动态响应方面存在一定的局限性。本发明旨在通过引入专为固体火箭发动机量身定制的先进热测量系统来解决这些限制，提供一种能够实现高分辨率、高光谱和高动态范围测量的先进热测量系统。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，提出了一种基于掩模技术的图谱合一测试结构，本发明的测试结构从时域、空域及频域三个角度对整个测试结构进行改进，提升传感器采样速度，从而获取时空光谱兼容的高分辨信息。

2、本发明保护的技术方案为：基于掩模技术的图谱合一测试结构，包括物镜，所述物镜后设置光分束器，光分束器将经过物镜的光分为两束后分别经过第一掩模单元和第二掩模单元，第一掩模单元和第二掩模单元的针孔阵列排布在空间互补，第一掩模单元和第二掩模单元后的光学结构相同，所述光学结构依次设置的准直镜、色散棱镜、聚焦镜和光谱探测设备；

3、所述光谱探测设备包括互补金属氧化物半导体cmos，互补金属氧化物半导体cmos为成像器件，与fpga处理器连接并采集的数据传递给fpga处理器，fpga处理器作为控制器，对采集到的图像数据进行处理并进行存储和传输，fpga处理器通过bnc接口与上位机进行连接，上位机对接收的数据进行处理。

4、进一步的，基于掩模技术的图谱合一测试结构，还包括窄带滤波片，窄带滤波片设置在物镜前方，或设置在色散棱镜和准直镜之间。

5、进一步的，所述窄带滤波片波长工作范围选取过程如下：

6、首先根据波长对辐射源项光谱微分数值的影响特性，确定基于高光谱反演燃烧场空间辐射源项温度过程中重构精度较高的波长范围；

7、其次确定固体发动机燃烧场的灰体以及连续辐射光谱范围；

8、最后确定辐射源项光线从燃烧场内部恶劣环境出射到边界过程中传输受影响较小的光谱范围；

9、基于上述三种光谱信息的重叠部分，根据燃烧场空间辐射源项层析数目，并结合探测器靶面的尺寸以及色散分光单元与探测器靶面之间的距离，确定高光谱探测功能中的光谱分辨率与光谱通道数，然后完成窄带滤光片通光波段范围的筛选。

10、进一步的，上位机对接受数据进行配准，具体的配准流程如下：

11、步骤1)在所有采集到的图像中，选取一幅图像作为配准的参考图像，剩余图像则作为配准图像；

12、步骤2)通过对待配准图像和参考图像之间进行特征提取得到特征点，形成各自的特征集合；

13、步骤3)通过进行相似性度量找到匹配的特征点对；

14、步骤4)给定变换参数的搜索范围，在分辨率最低图层上进行全搜索；依次取出搜索空间中的变换参数，对待配准图像对应的图层进行几何变换，采用基于灰度的互相关配准方法，得到该分辨率下最优解的初步变换参数估计，并将此估计作为下一级图像层处理的搜索中心；

15、步骤5)基于一层搜索结果为搜索中心，在更高一级分辨率下搜索变换参数，由粗到精逐步细化变换参数，最终在原始配准图像上得到满足精度要求的配准参数，最后由坐标变换参数进行图像配准。

16、本发明与现有技术相比具有以下优点：

17、1、对于高空间分辨探测部分，基于光能量分束器使燃烧场同一场景信息分别进入不同探测器，通过在探测器前放置掩模单元，使不同掩模结构中的针孔阵列排布在空间互补，以此弥补单一掩模板离散采样中因避让光谱重叠行为而导致的空间分辨率缺。

18、2、对于光谱成像结构，其时空分辨与光谱分辨存在此消彼长的竞争关系。本发明利用受燃烧场极端恶劣环境干扰较小的光谱范围，并结合辐射源项层析数目的需求，凭借窄带滤波将抗干扰光谱信息通过色散棱镜展于固定尺寸的像靶面上，以此提高光谱分辨率。

19、3、采用多路基于fpga的高速探测结构和高频响应cmos传感器，进一步提升传感器采样速度，从而获取时空光谱兼容高分辨信息。

技术特征：

1.基于掩模技术的图谱合一测试结构，包括物镜，其特征在于：所述物镜后设置光分束器，光分束器将经过物镜的光分为两束后分别经过第一掩模单元和第二掩模单元，第一掩模单元和第二掩模单元的针孔阵列排布在空间互补，第一掩模单元和第二掩模单元后的光学结构相同，所述光学结构依次设置的准直镜、色散棱镜、聚焦镜和光谱探测设备；

2.根据权利要求1所述的基于掩模技术的图谱合一测试结构，其特征在于：还包括窄带滤波片，窄带滤波片设置在物镜前方，或设置在色散棱镜和准直镜之间。

3.根据权利要求1所述的基于掩模技术的图谱合一测试结构，其特征在于：所述窄带滤波片波长工作范围选取过程如下：

4.根据权利要求2所述的基于掩模技术的图谱合一测试结构，其特征在于：上位机对接受数据进行配准，具体的配准流程如下：

技术总结
本发明属于动态燃烧流场图谱测量领域，具体公开了一种基于掩模技术的图谱合一测试结构，本发明设计了一种专为固体火箭发动机设计的高分辨率、高光谱和高动态范围热测量系统，该系统利用先进的传感技术和数据处理算法，能够精确测量和监测固体火箭发动机尾焰的温度分布，系统具有出色的空间分辨率、高光谱测量能力以及对快速温度变化的高动态范围响应，通过提供精确的温度数据，该系统为固体火箭发动机的性能优化、故障诊断和安全控制提供了关键的技术支持。

技术研发人员：管今哥,郑永秋,马淼,张成飞,李楠,卫娜瑛,岳博坤
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15