CN109635451B - 一种空间光学遥感器微振动的光机集成分析方法 - Google Patents

一种空间光学遥感器微振动的光机集成分析方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109635451B
CN109635451B CN201811539056.9A CN201811539056A CN109635451B CN 109635451 B CN109635451 B CN 109635451B CN 201811539056 A CN201811539056 A CN 201811539056A CN 109635451 B CN109635451 B CN 109635451B
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical
micro
vibration
remote sensor
space
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201811539056.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109635451A (zh
Inventor
金光
刘瑞婧
李宗轩
徐伟
永强
谢晓光
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Original Assignee
Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS filed Critical Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority to CN201811539056.9A priority Critical patent/CN109635451B/zh
Publication of CN109635451A publication Critical patent/CN109635451A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109635451B publication Critical patent/CN109635451B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明涉及一种空间光学遥感器微振动的光机集成分析方法，属于空间光学遥感技术领域，本发明利用有限元分析软件对空间光学遥感器中的光学结构进行结构参数分析并建立有限元模型，从有限元分析中获得光学系统模态信息，提取模态信息，再将提取到的模态信息转换成线性状态空间表示，将转化处理后的模态信息传输到软件中进行光线追迹和光程差分析，而后通过模态缩放，使得最终的波前差为两个波长以内，从而导出了一个将关键节点运动与光学性能相关联的灵敏度矩阵C，以微振动特性作为光机系统的输入，利用得出的灵敏度矩阵可以得出波前差，从而基于得到的灵敏度矩阵和波前差对微振动对空间光学遥感器的成像质量的影响进行更好、更高效的分析。

Description

一种空间光学遥感器微振动的光机集成分析方法
技术领域
本发明涉及空间光学遥感技术领域，特别是涉及一种空间光学遥感器微振动的光机集成分析方法。
背景技术
随着科技的进步、时代的发展，对空间光学遥感器的精度要求越来越高。空间光学遥感器在工作过程中不可避免地受到反作用轮等产生的微振动的影响，微振动扰动将直接影响高精度航天器平台的指向稳定度和指向精度，导致成像模糊或者产生较为严重的畸变，这种持续的扰动对成像系统的波前差有很大的影响，导致光学传递函数MTF下降，所以对空间光学遥感微振动的研究尤为迫切。而微振动对空间光学遥感器的光学系统的影响的工程分析，具有多学科性，往往需要应用到许多软件(如UG、ZEMAX等)对其进行分析，效率低且效果并不显著，目前尚且没有一种有效的光机系统分析方法能够针对微振动对空间光学遥感器成像质量的影响进行高效地分析。
发明内容
基于此，有必要针对目前针对微振动对空间光学遥感器的光学系统的影响的分析效率低且效果并不显著的问题，提供一种空间光学遥感器微振动的光机集成分析方法。
为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：
一种空间光学遥感器微振动的光机集成分析方法，包括以下步骤：
步骤一、对空间光学遥感器中的光学结构进行有限元建模
对光学结构进行有限元建模，并以微振动特性作为输入，以提供基于结构扰动频率产生的光学系统模态的扰动模拟；
对模态信息进行提取，并将其转化为节点表示；
步骤二、创建线性状态空间
将模态信息转换为线性状态空间，即
Figure BDA0001906746270000021
其中，
Figure BDA0001906746270000022
为状态向量，
Figure BDA0001906746270000023
为扰动输入向量，
Figure BDA0001906746270000024
为状态向量对时间的一阶导数，y为输出向量，A为模态变换矩阵，B为扰动矩阵，C为灵敏度矩阵，D为馈通矩阵，状态向量包含与频率模式形式相关的节点位置；
步骤三、利用模态缩放得到波前差
状态向量包括多种频率模态，根据频率模态进行光线追迹和光程差分析，得到波前差；
判断波前差是否为两个波长以内，若是，则执行步骤四；若否，则缩放状态向量后再进行光线追迹和光程差分析，直至波前差为两个波长以内；
步骤四、基于得到的灵敏度矩阵和波前差对微振动对空间光学遥感器的成像质量的影响进行分析。
上述一种空间光学遥感器微振动的光机集成分析方法利用有限元分析软件对空间光学遥感器中的光学结构进行结构参数分析并建立有限元模型，从有限元分析中获得光学系统模态信息，提取模态信息，再将提取到的模态信息转换成线性状态空间表示，将转化处理后的模态信息传输到软件中进行光线追迹和光程差分析，而后通过模态缩放，使得最终的波前差为两个波长以内，从而导出了一个将关键节点运动与光学性能相关联的灵敏度矩阵C，以微振动特性作为光机系统的输入，利用得出的灵敏度矩阵可以得出波前差，从而基于得到的灵敏度矩阵和波前差对微振动对空间光学遥感器的成像质量的影响进行更好、更高效的分析。本发明针对微振动对空间光学遥感器的光学系统的影响的多学科性，结合多种分析方法实现对空间光学遥感器的光学系统的分析，通过操作系统间的通信链路来实现光机系统集成化的分析，是一种十分有效的光机系统分析方法。
附图说明
图1为本发明一种空间光学遥感器微振动的光机集成分析方法的流程示意图。
具体实施方式
本发明涉及到光学成像系统中的光学系统与机械系统，光学系统的多学科性且光学系统与机械系统往往要独立各自分析，而光机集成建模将所需工具软件组合在一起对光机系统实现设计、性能分析等。下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
在其中一个实施例中，如图1所示，本发明公开一种空间光学遥感器微振动的光机集成分析方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、对空间光学遥感器中的光学结构进行有限元建模
对光学结构进行有限元建模，并以微振动特性作为输入，以提供基于结构扰动频率产生的光学系统模态的扰动模拟；
对模态信息进行提取，并将其转化为节点表示；
步骤二、创建线性状态空间
将模态信息转换为线性状态空间，即
Figure BDA0001906746270000031
其中，
Figure BDA0001906746270000032
为状态向量，
Figure BDA0001906746270000033
为扰动输入向量，
Figure BDA0001906746270000034
为状态向量对时间的一阶导数，y为输出向量，A为模态变换矩阵，B为扰动矩阵，C为灵敏度矩阵，D为馈通矩阵，状态向量包含与频率模式形式相关的节点位置；
步骤三、利用模态缩放得到波前差
状态向量包括多种频率模态，根据频率模态进行光线追迹和光程差分析，得到波前差；
判断波前差是否为两个波长以内，若是，则执行步骤四；若否，则缩放状态向量后再进行光线追迹和光程差分析，直至波前差为两个波长以内；
步骤四、基于得到的灵敏度矩阵和波前差对微振动对空间光学遥感器的成像质量的影响进行分析。
具体地，在本实施例的步骤一中，首先对空间光学遥感器中的光学结构进行有限元建模。在该步骤中，基于有限元理论，利用NASTRAN软件对光学结构进行有限元建模，并以微振动特性作为输入，以提供基于结构扰动频率产生的光学系统模态的扰动模拟。对模态信息(如固有频率、阻尼比等)进行提取，并将其转化为节点表示。
步骤二、创建线性状态空间
利用MATLAB软件中的程序解析由NASTRAN软件输出的文件，该文件中包含所有结构扰动频率信息，将模态信息转换为线性状态空间，即
Figure BDA0001906746270000041
其中，
Figure BDA0001906746270000042
为状态向量，
Figure BDA0001906746270000043
为扰动输入向量，
Figure BDA0001906746270000044
为状态向量对时间的一阶导数，y为输出向量，A为模态变换矩阵，B为扰动矩阵，C为灵敏度矩阵，D为馈通矩阵；生成的状态向量包含与频率模式形式相关的节点位置与速度信息，本实施例中只针对节点位置进行计算。
Figure BDA0001906746270000045
步骤三、利用模态缩放得到波前差
状态向量中的每一列都代表一种频率模态(MODE 1，MODE 2，…，MODE n)，将每一种频率模态都输入到ZEMAX软件中，在ZEMAX软件中进行光线追迹，光程差(OPD)分析，得到波前差；判断波前差是否为两个波长以内，若是，则执行步骤四；若否，则缩放状态向量后再进行光线追迹和光程差分析，通过模态的缩放来使得波前差为两个波长；最终导出了一个将关键节点运动与光学性能相关联的灵敏度矩阵C，通过得到的灵敏度矩阵C快速算出波前差。
步骤四、基于得到的灵敏度矩阵和波前差对微振动对空间光学遥感器的成像质量的影响进行分析。
在本实施例中，在对空间光学遥感器中的光学结构进行有限元建模的步骤之前，还包括以下步骤：通过振动实验和精密测量获得微振动特性，微振动特性包括时域特性与频域特性。通过振动实验获得飞轮或者反作用轮的扰振数据，通过精密测量得到飞轮或者反作用轮的微振动特性(包括时域特性与频域特性)，可将飞轮或者反作用轮的微振动特性作为光机系统的输入，加入振源，经MATLAB处理NASRTAN的输出文件得到状态向量
Figure BDA0001906746270000051
灵敏度矩阵C，基于线性状态空间
Figure BDA0001906746270000052
得出系统的波前差，以此来分析微振动对空间光学遥感器成像质量的影响。
本实施例利用有限元分析软件对空间光学遥感器中的光学结构进行结构参数分析并建立有限元模型，从有限元分析中获得光学系统模态信息，提取模态信息，再将提取到的模态信息转换成线性状态空间表示，将转化处理后的模态信息传输到软件中进行光线追迹和光程差分析，而后通过模态缩放，使得最终的波前差为两个波长以内，从而导出了一个将关键节点运动与光学性能相关联的灵敏度矩阵C，以微振动特性作为光机系统的输入，利用得出的灵敏度矩阵可以得出波前差，从而基于得到的灵敏度矩阵和波前差对微振动对空间光学遥感器的成像质量的影响进行更好、更高效的分析。本实施例针对微振动对空间光学遥感器的光学系统的影响的多学科性，结合多种分析方法实现对空间光学遥感器的光学系统的分析，通过操作系统间的通信链路来实现光机系统集成化的分析，是一种十分有效的光机系统分析方法。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种空间光学遥感器微振动的光机集成分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对空间光学遥感器中的光学结构进行有限元建模
对光学结构进行有限元建模，并以微振动特性作为输入，以提供基于结构扰动频率产生的光学系统模态的扰动模拟；
对模态信息进行提取，并将其转化为节点表示；
步骤二、创建线性状态空间
将模态信息转换为线性状态空间，即
Figure FDA0001906746260000011
其中，
Figure FDA0001906746260000012
为状态向量，
Figure FDA0001906746260000013
为扰动输入向量，
Figure FDA0001906746260000014
为状态向量对时间的一阶导数，y为输出向量，A为模态变换矩阵，B为扰动矩阵，C为灵敏度矩阵，D为馈通矩阵，状态向量包含与频率模式形式相关的节点位置；
步骤三、利用模态缩放得到波前差
状态向量包括多种频率模态，根据频率模态进行光线追迹和光程差分析，得到波前差；
判断波前差是否为两个波长以内，若是，则执行步骤四；若否，则缩放状态向量后再进行光线追迹和光程差分析，直至波前差为两个波长以内；
步骤四、基于得到的灵敏度矩阵和波前差对微振动对空间光学遥感器的成像质量的影响进行分析。
2.根据权利要求1所述的空间光学遥感器微振动的光机集成分析方法，其特征在于，在对空间光学遥感器中的光学结构进行有限元建模的步骤之前，还包括以下步骤：
通过振动实验和精密测量获得微振动特性，所述微振动特性包括时域特性与频域特性。
3.根据权利要求2所述的空间光学遥感器微振动的光机集成分析方法，其特征在于，
所述微振动特性为飞轮或者反作用轮的微振动特性。
4.根据权利要求1或2所述的空间光学遥感器微振动的光机集成分析方法，其特征在于，
所述模态信息包括固有频率和阻尼比。
CN201811539056.9A 2018-12-14 2018-12-14 一种空间光学遥感器微振动的光机集成分析方法 Active CN109635451B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811539056.9A CN109635451B (zh) 2018-12-14 2018-12-14 一种空间光学遥感器微振动的光机集成分析方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811539056.9A CN109635451B (zh) 2018-12-14 2018-12-14 一种空间光学遥感器微振动的光机集成分析方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109635451A CN109635451A (zh) 2019-04-16
CN109635451B true CN109635451B (zh) 2022-05-17

Family

ID=66074409

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811539056.9A Active CN109635451B (zh) 2018-12-14 2018-12-14 一种空间光学遥感器微振动的光机集成分析方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109635451B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112487672B (zh) * 2019-08-23 2023-04-07 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种光学遥感相机的微振动集成仿真分析方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1250579A1 (en) * 1999-11-03 2002-10-23 Rune Brincker Method for vibration analysis
CN102829940A (zh) * 2012-08-10 2012-12-19 上海卫星工程研究所 针对卫星飞轮的扰动仿真的实现方法
CN106599480A (zh) * 2016-12-16 2017-04-26 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种空间相机在轨微振动仿真模型的修正方法
CN107679290A (zh) * 2017-09-14 2018-02-09 北京空间飞行器总体设计部 一种多学科微振动评估优化设计方法及系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1250579A1 (en) * 1999-11-03 2002-10-23 Rune Brincker Method for vibration analysis
CN102829940A (zh) * 2012-08-10 2012-12-19 上海卫星工程研究所 针对卫星飞轮的扰动仿真的实现方法
CN106599480A (zh) * 2016-12-16 2017-04-26 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种空间相机在轨微振动仿真模型的修正方法
CN107679290A (zh) * 2017-09-14 2018-02-09 北京空间飞行器总体设计部 一种多学科微振动评估优化设计方法及系统

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《Estimate of the effect of micro-vibration on the performance of the Algerian satellite (Alsat-1B) imager》;Chahira Serief;《Optics & Laser Technology》;20171101;全文 *
《微振动对高分辨率空间相机成像影响的集成分析》;张博文，王小勇，胡永力;《航天返回与遥感》;20120430;全文 *
《空间光学载荷微振动关键技术研究》;杨剑锋;《中国博士学位论文全文数据库 (工程科技Ⅱ辑)》;20160815;全文 *
《飞轮微振动对星载一体化卫星成像质量影响研究》;邓长城;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)工程科技Ⅱ辑》;20170815;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN109635451A (zh) 2019-04-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cai et al. Metamodeling for high dimensional design problems by multi-fidelity simulations
Toro Riemann solvers with evolved initial conditions
US20190050371A1 (en) Information processing apparatus, information processing method, data structure and program
CN109635451B (zh) 一种空间光学遥感器微振动的光机集成分析方法
Mongelli et al. Quasi real-time FEM calibration by 3D displacement measurements of large shaking table tests using HPC resources
Alaskar et al. Computational analysis of three dimensional steel frame structures through different stiffening members
Patruno et al. An efficient approach to the determination of equivalent static wind loads
CN100555294C (zh) 主梁断面气动自激力的全过程数值模拟方法
KR101444723B1 (ko) 구조물의 최적 설계 방법
Drygala et al. Seismic assessment of footbridges under spatial variation of earthquake ground motion (SVEGM): Experimental testing and finite element analyses
KR102477509B1 (ko) 기상 예측 정보 생성 방법 및 이를 수행하기 위한 컴퓨팅 장치
KR102266279B1 (ko) 비정상상태를 구현하기 위한 차수 감축 모델 구축 방법
Videla et al. Exact integration of the stiffness matrix of an 8‐node plane elastic finite element by symbolic computation
CN110334459B (zh) 一种输电塔塔线体系快速精细化建模系统及方法
Mei et al. An improved methodology for anomaly detection based on time series modeling
Avitabile Reduced order system model nonlinear response and expansion for full field results
Zhang et al. Location identification of nonlinearities in MDOF systems through order determination of state-space models
Hwang A novel mode decomposition method for non-classical damping structure using acceleration responses
Wei et al. Fpga design of real-time mdfd system using high level synthesis
Mahmoodi et al. Shift-independent model reduction of large-scale second-order mechanical structures
Pravinbhai et al. Big Data An Analytic architecture and prediction using spark for E-agriculture
Abdollahifar et al. Using state-space models for solving elastodynamic problems discretized by the MLPG method
Sidorov et al. Generalized solutions to integral equations in the problem of identification of nonlinear dynamic models
Zhong Advanced process control in manufacturing process with high dimensional measurements
Ye et al. Optimal sensor placement for substructural response reconstruction

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant