CN109948170A - 一种光学遥感相机热稳定性的仿真方法 - Google Patents

一种光学遥感相机热稳定性的仿真方法 Download PDF

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杨勋
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Abstract

本发明实施例公开了一种光学遥感相机的热稳定性的仿真方法。该仿真方法通过计算光学遥感相机实际在轨状态下的各部件的温度，并计算了由于实际温度场而引起的各部件的热变形，不仅简化了现有仿真方法中均匀温度场输入的步骤，还使得仿真的计算条件更接近真实情况，从而仿真结果对光学遥感相机的像质评价更为精确。进一步地，本发明实施例所提供的光学遥感相机的热稳定性的仿真方法考虑了光学、机械学和热学三种因素对光学遥感相机的成像像质的影响和三个学科之间的耦合关系，使得仿真结果更加接近实际的太空环境。

Description

一种光学遥感相机热稳定性的仿真方法
技术领域
本发明涉及光学遥感相机集成仿真的技术领域，具体涉及一种基于光学、机械学和热学耦合的光学遥感相机在轨的热稳定性的仿真方法。
背景技术
光学遥感相机广泛应用于资源探测、国土勘察、天文观测等领域，在经济社会发展和科学研究中发挥了重要的作用。光学遥感相机的工作环境通常为太空环境。当光学遥感相机处于太空环境中时，光学遥感相机会受到来自太阳和地球的辐射，而且本身内部也会产生热功耗。在整个轨道周期，光学遥感相机的各部位所接收的热流是剧烈变化且不均衡的，入射到光学遥感相机的各部位的辐射热流也不同，这些因素将导致光学遥感相机的温度梯度不均匀且随时间发生变化。温度导致的热应力会导致光学遥感相机的器件发生热膨胀及形变，进而导致成像质量的变化。
针对由于温度变化而导致光学遥感相机的成像质量变化的问题，现有的光学遥感相机的热稳定性的仿真方法采用的是单学科且理想化模型来分析光学遥感相机的受力和热影响而造成偏心、离焦、倾斜、面形改变以及梯度折射率等变化，进而了解哪些因素对成像质量影响较大，从而提出解决成像质量的措施及优化方案。现有的这种单学科且理想化模型的光学遥感相机的热稳定仿真方法无法真实地模拟复杂的太空环境，不仅需要进行大量的实体实验，还存在较大误差、难以模拟实际主动光学校正的过程和成本较高的问题。
因此，针对现有单学科且理想化模型的光学遥感相机的热稳定性的仿真方法所存在的问题，急需一种能够减小误差、具有模拟实际主动光学校正过程和成本较低的光学遥感相机的热稳定性的仿真方法。
发明内容
针对现有单学科且理想化模型的光学遥感相机的热稳定性的仿真方法所存在的问题，本发明实施例中提出一种基于光学、机械学和热学耦合的光学遥感相机的热稳定性的仿真方法。该仿真方法综合考虑了光学、机械学和热学三种因素对光学遥感相机的成像像质的影响和三个学科之间的耦合关系，使得仿真结果更加接近实际的太空环境。
该光学遥感相机的热稳定性的仿真方法的具体方案如下：一种光学遥感相机的热稳定性的仿真方法，包括步骤S1：建立光学遥感相机的光学系统模型；步骤S2：建立光学遥感相机的在轨热分析模型，并计算光学遥感相机在轨状态时的光学遥感相机各部件的温度，所述各部件的温度形成温度场；步骤S3：建立光学遥感相机的有限元模型；步骤S4：将温度场从热分析模型映射到结构模型；步骤S5：执行热学和结构学的耦合分析，并计算光学遥感相机在实际温度水平状态时的光学遥感相机各部件的热变形；步骤S6：计算光学遥感相机中各反射镜及像面的刚体位移和反射镜及像面的表面面形；步骤S7：将所述刚体位移和所述表面面形代入所述光学系统模型中，计算光学遥感相机所成像的像质退化情况。
优选地，步骤S1中所述的光学系统模型为光学反射镜面到成像焦面的光学系统模型。
优选地，所述步骤S1还包括在成像焦面取平均值作为设计所述光学系统模型的初始波前误差。
优选地，步骤S1中采用光学软件Code V建立所述光学系统模型。
优选地，所述步骤S2具体包括根据实际在轨热辐射条件和真实热控措施施加的载荷和边界条件来计算光学遥感相机各部件的温度。
优选地，所述步骤S2采用三维设计软件UG和热分析软件I-deas建立所述在轨热分析模型。
优选地，步骤S3中所述的有限元模型包括光学遥感相机的整机模型、光学遥感相机各反射镜及像面模型、光学遥感相机主桁架、外层及内层模型。
优选地，步骤S4具体包括将热分析模型中的节点的温度映射到结构模型中所相应部件的节点。
优选地，步骤S5具体包括在所述光学遥感相机的有限元模型中施加结构和热边界条件，采用有限元分析软件执行热学和结构学的耦合分析。
优选地，步骤S6具体包括采用光机集成工具分别拟合各反射镜及像面的刚体位移和各反射镜及像面的表面面形。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例中所提供的光学遥感相机的热稳定性的仿真方法，通过计算光学遥感相机实际在轨状态下的各部件的温度，并计算了由于实际温度场而引起的各部件的热变形，不仅简化了现有仿真方法中均匀温度场输入的步骤，还使得仿真的计算条件更接近真实情况，从而仿真结果对光学遥感相机的像质评价更为精确。进一步地，本发明实施例所提供的光学遥感相机的热稳定性的仿真方法考虑了光学、机械学和热学三种因素对光学遥感相机的成像像质的影响和三个学科之间的耦合关系，使得仿真结果更加接近实际的太空环境。进一步地，本发明实施例所提供的光学遥感相机的热稳定性的仿真方法采用的软件具有通用性，可以嵌入到后续的整机集成仿真分析中，有利用发现和修改实际设计中存在的问题。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种光学遥感相机的热稳定性的仿真方法的步骤流程示意图；
图2为本发明实施例中提供的热分析模型的温度场向结构分析温度场的映射结果的示意图；
图3为本发明实施例中提供的计算得到的各反射镜在轨状态时的面形误差结果的示意图；
图4为本发明实施例中提供的计算得到的光学遥感相机在轨状态时的波前误差的示意图；
图5为本发明实施例中提供的一种光学遥感相机的热稳定性的仿真方法的框图流程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明实施例中提供的一种光学遥感相机的热稳定性的仿真方法的步骤流程示意图。在该实施例中，光学遥感相机的热稳定性的仿真方法包括七个步骤，具体步骤内容如下所述。
步骤S1：建立光学遥感相机的光学系统模型。在一具体实施例中，采用光学软件Code V建立光学遥感相机的光学系统模型，并计算初始状态时的光学系统的全视场的平均波像差。光学系统模型具体为光学反射镜面到成像焦面的光学系统模型。在实际光学系统中波像差由于受视场位置的影响，在整个视场分布并不均匀，优选地，选取在成像焦面的平均值作为设计光学系统模型的初始波前误差。
步骤S2：建立光学遥感相机的在轨热分析模型，并计算光学遥感相机在轨状态时的光学遥感相机各部件的温度，所述各部件的温度形成温度场。在一具体实施例中，采用三维设计软件UG和热分析软件I-deas建立所述在轨热分析模型。在热分析模型中，根据实际在轨热辐射条件和真实热控措施施加的载荷和边界条件来计算光学遥感相机各部件的温度。将各部件的温度定义成温度场，并且导出通过计算获得的温度场。
步骤S3：建立光学遥感相机的有限元模型。在一具体实施例中，采用三维设计软件UG和有限元前处理软件Hyper-mesh建立光学遥感相机的在有限元模型。具体地，有限元模型包括光学遥感相机的整机模型、光学遥感相机各反射镜及像面模型、光学遥感相机主桁架、外层及内层支撑结构等关键部件的结构模型。
步骤S4：将温度场从热分析模型映射到结构模型。在一具体实施例中，将步骤S2中获得的温度场作为输入，再采用matlab软件中的映射函数，将热分析模型中的节点的温度映射到结构模型中所相应部件的节点。如图2所示，本发明实施例中提供的热分析模型的温度场向结构分析温度场的映射结果的示意图。在图2中，图2(b)为热分析所得温度场，通过自编温度映射程序，将热分析温度场映射到图2(a)所示的结构模型上。
步骤S5：执行热学和结构学的耦合分析，并计算光学遥感相机在实际温度水平状态时的光学遥感相机各部件的热变形。在一具体实施例中，在步骤S3中所获得的光学遥感相机的有限元模型中施加结构和热边界条件，采用有限元分析软件执行热学和结构学的耦合分析，从而得到光学遥感相机的各个部件的热变形。在具体实施例中，有限元分析软件可采用MSC或者Nastran软件执行热学和结构学的耦合分析。
步骤S6：计算光学遥感相机中各反射镜及像面的刚体位移和反射镜及像面的表面面形。在一具体实施例中，采用光机集成工具sigift软件分别拟合各反射镜面节点，进而得到光学遥感相机在轨环境变化而导致的各个反射镜及像面的刚体位移U和各个反射镜及像面的表面面形U’。优选地，各个反射镜及镜面的表面面形U’采用泽尼克(Zernike)多项式表示。如图3所示，本发明实施例中提供的计算得到的各反射镜在轨状态时的面形误差结果的示意图。
步骤S7：将所述刚体位移和所述表面面形代入所述光学系统模型中，计算光学遥感相机所成像的像质退化情况。如图4所示，本发明实施例中提供的计算得到的光学遥感相机在轨状态时的波前误差的示意图。在图4中，X轴和Y轴分别表示物方的视场角。在该实施例中，光学系统波前误差为0.031591。
本发明实施例中所提供的光学遥感相机的热稳定性的仿真方法，通过计算光学遥感相机实际在轨状态下的各部件的温度，并计算了由于实际温度场而引起的各部件的热变形，不仅简化了现有仿真方法中均匀温度场输入的步骤，还使得仿真的计算条件更接近真实情况，从而仿真结果对光学遥感相机的像质评价更为精确。进一步地，本发明实施例所提供的光学遥感相机的热稳定性的仿真方法考虑了光学、机械学和热学三种因素对光学遥感相机的成像像质的影响和三个学科之间的耦合关系，使得仿真结果更加接近实际的太空环境。进一步地，本发明实施例所提供的光学遥感相机的热稳定性的仿真方法采用的软件具有通用性，可以嵌入到后续的整机集成仿真分析中，有利用发现和修改实际设计中存在的问题。
如图5所示，本发明实施例中提供的一种光学遥感相机的热稳定性的仿真方法的框图流程示意图。图5为图1所示实施例步骤流程的另一种表述形式，描述了光学遥感相机热稳定性的仿真方法的设计思路。在该实施例中，从热、光、结构三个角度分别构思，热载荷、热分析模型和温度场形成光学特性变化，光学设计、结构设计CAD形成温度场，结构载荷、结构分析模型、变形和压力形成光学特性变化，由光学特性变化反馈至光学设计。其中，热分析模型和结构分析模型具有相互耦合。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种光学遥感相机的热稳定性的仿真方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1：建立光学遥感相机的光学系统模型；
步骤S2：建立光学遥感相机的在轨热分析模型，并计算光学遥感相机在轨状态时的光学遥感相机各部件的温度，所述各部件的温度形成温度场；
步骤S3：建立光学遥感相机的有限元模型；
步骤S4：将温度场从热分析模型映射到结构模型；
步骤S5：执行热学和结构学的耦合分析，并计算光学遥感相机在实际温度水平状态时的光学遥感相机各部件的热变形；
步骤S6：计算光学遥感相机中各反射镜及像面的刚体位移和反射镜及像面的表面面形；
步骤S7：将所述刚体位移和所述表面面形代入所述光学系统模型中，计算光学遥感相机所成像的像质退化情况。
2.根据权利要求1所述的一种光学遥感相机的热稳定性的仿真方法，其特征在于，步骤S1中所述的光学系统模型为光学反射镜面到成像焦面的光学系统模型。
3.根据权利要求2所述的一种光学遥感相机的热稳定性的仿真方法，其特征在于，所述步骤S1还包括在成像焦面取平均值作为设计所述光学系统模型的初始波前误差。
4.根据权利要求1所述的一种光学遥感相机的热稳定性的仿真方法，其特征在于，步骤S1中采用光学软件Code V建立所述光学系统模型。
5.根据权利要求1所述的一种光学遥感相机的热稳定性的仿真方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括根据实际在轨热辐射条件和真实热控措施施加的载荷和边界条件来计算光学遥感相机各部件的温度。
6.根据权利要求1所述的一种光学遥感相机的热稳定性的仿真方法，其特征在于，所述步骤S2采用三维设计软件UG和热分析软件I-deas建立所述在轨热分析模型。
7.根据权利要求1所述的一种光学遥感相机的热稳定性的仿真方法，其特征在于，步骤S3中所述的有限元模型包括光学遥感相机的整机模型、光学遥感相机各反射镜及像面模型、光学遥感相机主桁架、外层及内层模型。
8.根据权利要求1所述的一种光学遥感相机的热稳定性的仿真方法，其特征在于，步骤S4具体包括将热分析模型中的节点的温度映射到结构模型中所相应部件的节点。
9.根据权利要求1所述的一种光学遥感相机的热稳定性的仿真方法，其特征在于，步骤S5具体包括在所述光学遥感相机的有限元模型中施加结构和热边界条件，采用有限元分析软件执行热学和结构学的耦合分析。
10.根据权利要求1所述的一种光学遥感相机的热稳定性的仿真方法，其特征在于，步骤S6具体包括采用光机集成工具分别拟合各反射镜及像面的刚体位移和各反射镜及像面的表面面形。
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