CN109271671B - 一种相机视轴变化的仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种相机视轴变化的仿真方法，该仿真方法在现有光机热集成分析技术基础上，增加焦平面实体的建模与分析，并将分析后的焦平面面形及位置数据反馈回至光学设计软件，在实际像高工作模式下，计算焦平面模型几何中心(0,0)点对应的视场物方光束方向的变化情况，从而实现相机视轴指向变化的仿真分析，完善了光机热仿真技术，增加了对相机工作性能指标仿真分析的覆盖性。

Description

一种相机视轴变化的仿真方法
技术领域
本发明属于相机的光学性能仿真分析领域，为工作在复杂环境下相机提供一种视轴指向变化仿真分析方法。
背景技术
为了实现对工作在复杂环境下相机工作性能的仿真，科研人员进行了光机热集成分析技术的研究，并取得了一定的成绩，在一些空间光学遥感仪器的设计阶段发挥着重要的作用，解决了多学科间仿真分析之间的接口问题，最后在光学系统中进行性能评价。这些评价多采用点扩散函数、能量集中度、传递函数，然而对于相机性能，除了成像质量外，其视轴指向的稳定度也是重要的评价指标。
特别是对于工作在地球静止轨道三轴稳定卫星平台上相机，其工作温度环境恶劣，每天一个温度小循环，一年一个温度大循环，致使相机部分暴露在外边的光学元件的温差可以达到50K，对相机的视轴指向具有严重影响。因此，对工作在恶劣工作环境下的相机视轴指向仿真分析，对其制定在轨工作策略具有重要意义。
发明内容
本发明公开一种相机视轴变化的仿真方法，其实质是在现有光机热集成仿真的建模时，增加焦平面的实体建模，从而保证在进行光机热集成分析过程中，除了常规的光学元件位置、面形形变、折射率等变化分析外，还需完成焦平面自身面形，以及与其他光学元件的相对位置变化的分析。在完成力学和热学分析后，将包括焦平面面形和位置信息在内所有光学元件信息反馈会给光学设计软件，其中位置信息包括沿光轴方向、垂直光轴方向，以及倾斜信息。在光学设计仿真分析时，选择实际像高视场模式，计算焦平面模型几何中心(0,0)点对应的视场物方光束在光学系统孔径光阑前H位置处光斑中心位置(Xi,Yi)，并以理想条件下(0,0)视场光束在光学系统孔径光阑前H位置处光斑中心位置(Xo,Yo)作为基准，计算得到受实际工作环境影响，相机视轴变化：
Figure BDA0001770069120000021
该变化可以分方向表达为(θx，θy)，其中/>
Figure BDA0001770069120000022
本发明是对现有光机热仿真技术的一种完善，增加了对相机工作性能指标仿真分析的覆盖性。
附图说明
图1是视轴指向计算示意图，(Xi,Yi)焦是平面中心视场光束在光学系统孔径光阑前H位置处光斑中心位置。
图2是不同季节视轴指向随时间的变化图。
具体实施方式
对某工作在地球静止轨道三轴稳定卫星平台上红外相机进行光机热集成分析。在光学系统建模时，除了常规的光学元件建模外，在CodeV设计文件image前增加一个标准面，其厚度设置为探测器衬底厚度，其材料设置为衬底材料，其aperture大小为焦平面大小，模拟焦平面。具体参数如表1所示。
表1：光学系统参数
代号 材料 表面处理 面形参数 光学尺寸mm
MC SiC 银加保护 平面 250*160
PM Zerodur 银加保护 椭球R：592.12mm；Conic：-0.6969；离轴150mm 160*110
SM Zerodur 银加保护 双曲R：191.31mm；Conic：-6.1488；离轴29.5mm 64*18
TM Zerodur 银加保护 椭球R：275.85mm；Conic：-0.0931；离轴13mm 250*90
W Silicon 增透红外 凹平R：5970mm；同轴 50*9.6*4
FAP GAAS 抛光 平面 60*10
Image / / / /
依照光机热集成分析一般性流程进行系统的力学和热学分析，之后将仿真中不同时刻的光学面形形变、折射率变化、光学元件位置、焦平面面形和焦平面位置信息反馈回光学分析软件CodeV文件中。通过坐标设置，使FAP面与image面之间发生位置变化，并令image像平面坐标原点与焦平面FAP几何坐标原点重合。将系统设置为实际像高视场模式，在空间光阑前任意H位置添加一个标准辅助面，查看该面footprint，获得光斑中心坐标(Xi,Yi)。其中，当光学元件形变、折射率和位置变化均为0时，读取光斑中心坐标(Xo,Yo)。根据视轴指向变化角计算视轴指向变化。该仿真过程遍历相机在轨初期太阳高度角分别为±23.5度、±8.8度和0度的季节，一天24小时内每2小时采集一点绘制的相机视轴轴变化情况如图2所示。

Claims (1)

1.一种相机视轴变化的仿真方法，特征在于方法步骤如下：
1)在进行光机热集成分析过程中，增加焦平面的实体建模，在CodeV设计文件图像前增加一个标准面，其厚度设置为探测器衬底厚度，其材料设置为衬底材料，其孔径大小为焦平面大小，模拟焦平面，完成焦平面自身面形，以及与其他光学元件的相对位置变化的分析，并将信息反馈会给光学设计软件；
2)在光学设计仿真分析时，选择实际像高视场模式，计算焦平面模型几何中心(0,0)点对应的视场物方光束在光学系统孔径光阑前H位置处光斑中心位置(Xi,Yi)，并以理想条件下(0,0)视场光束在光学系统孔径光阑前H位置处光斑中心位置(Xo,Yo)作为基准，计算得到受实际工作环境影响，相机视轴变化：
Figure FDA0004085415980000011
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