CN112507593A - 一种振动对多孔径光学系统mtf影响的评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种振动对多孔径光学系统MTF影响的评价方法，建立多孔径光学系统的模型，并进行优化得到MTF作为成像质量评价指标，导出镜片的三维结构模型。建立多孔径系统的机械结构，并与得出的镜片模型进行装配，得到多孔径设备的整体结构装配图。将多孔径光机结构模型导入有限元软件，进行模态分析，并根据实际工况对结构进行振动仿真分析。通过振动实验，验证振动仿真结果的可信度。将振动仿真得到的各个镜片的节点位移导出，用Zernike多项式对其进行拟合。将每个镜片的拟合结果导入光学软件，导出MTF即为振动后的多孔径光学系统的每个子孔径的MTF。将子孔径的MTF合成为整个多孔径光学系统的MTF。本发明能够验证振动对多孔径光学系统成像质量是否造成影响。

Description

一种振动对多孔径光学系统MTF影响的评价方法
技术领域
本发明涉及光机集成分析领域，特别是一种振动对多孔径光学系统MTF影响的评价方法。
背景技术
运用多个体积小，重量轻，成本低的小孔径组合成的光学系统是设计高分辨率光学系统的一种新的方法，称为多孔径光学系统。作为一种设计宽视场超分辨率光学系统的新方法，它能够在相同成像距离的情况下缩小结构尺寸和重量，而且兼具扩大视场的能力，广泛应用于航空领域以及车载等工况，无论是火箭发射还是空间在轨运行抑或是车载工况都会产生强烈的振动冲击或微振动。振动除了对机械结构造成损坏或者使寿命降低以外，对光学系统主要有两个影响，一方面造成光学元件装调位置的改变，如沿光轴方向位移、径向移动，倾斜等，当因受到振动影响产生旋转、倾斜、偏移的镜片参与成像时，会造成各种程度的像质退化，如光强下降、像移、光轴抖动等现象；另一方面会使光学表面产生变形，引起成像质量发生变化。
振动对于光学系统的研究多用于空间相机、航天器、卫星等光学结构。北京空间机电研究所对高分辨率空间相机模型进行动力学分析，将得到的位移数据导入Code-V得到MTF的变化和像移，得出了对像移和MTF影响最大的振动频率和方向。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，通过仿真模型与试验相结合的方法，实现对空间相机微振动环境下的工作状态进行准确预测。目前对于振动引起多孔径光学系统成像质量的影响的研究相对空白，因此有必要提出一种针对该问题的综合分析方法，而光调制传递函数MTF又是评价光学系统成像质量的一个量化指标，因此可提出一种用MTF来评价振动对多孔径光学系统成像质量造成的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种振动对多孔径光学系统MTF 影响的评价方法，可以分析由于振动造成的镜片位移和变形对多孔径光学系统MTF的影响。
本发明采用以下方案实现：一种振动对多孔径光学系统MTF影响的评价方法，包括以下步骤：
步骤S1：利用光学设计软件建立多孔径光学系统的模型，即利用光学设计软件对每个孔径进行光学系统的建模，利用软件中的优化功能即评价函数，设置评价函数编辑器中的参数目标、权重、优化类型和优化参考点；光学软件会利用有效阻尼最小二乘法优化参数目标与权重值所组成的评价函数，对光学系统实现优化，优化后利用光学软件得到光学系统的每个子孔径的MTF作为评价多孔径设备成像质量的评价指标，并导出镜片的三维结构模型即导出每个子孔径镜片的机械模型；所述光学系统的模型为每个子孔径的镜片所组成的光学模型；
步骤S2：在三维建模软件中建立多孔径系统的机械模型，并与步骤S1得出的镜片模型进行装配，得到多孔径设备的整体结构装配图即多孔径光机结构模型；
步骤S3：将多孔径光机结构模型导入有限元软件，进行模态分析，并根据实际工况对结构进行振动仿真分析,最后进行频率响应分析及结果后处理，在结果后处理中导出各镜面节点位移；
步骤S4：对多孔径结构进行振动实验，验证振动仿真结果的可信度；
步骤S5：将步骤S3中的仿真结果经过步骤S4中的实验结果验证后，将振动仿真得到的各个镜片的节点位移导出，并进行坐标系变换，利用Matlab软件中的Zernike多项式对进行坐标系变换后的节点位移数据进行拟合并把拟合得到的Zernike多项式的系数导出；
Figure BDA0002838054660000031
其中Z为坐标转换后的镜面变形量，
Figure BDA0002838054660000032
为Zernike多项式的第i项，ai为多项式第i项前的系数；
步骤S6：把每个镜片表面的多项式系数导回到光学设计软件中，得到各个镜面振动后的数据信息，利用各个镜面新的数据更新后得到 MTF即为振动后多孔径光学系统的每个子孔径的MTF；
步骤S7：将子孔径的MTF利用叠加法合成为整个多孔径光学系统的MTF，将振动前后整个多孔径光学系统的MTF进行对比，两条 MTF曲线的差异即为振动对多孔径光学系统MTF的影响，在同一某空间频率处，若下降值小于等于0.15，认为振动对光学系统影响很小；若下降值大于0.15且小于等于0.3，则认为振动对光学系统有一定影响；若下降值大于0.3，则认为振动对光学系统影响较大，由此实现评价。
进一步地，步骤S1中所述的光学设计软件包括Zemax或Code-V。
进一步地，步骤S1中所述参数目标包括设置镜片的曲率、厚度、玻璃材质、二次曲面、参量数据以及附加数据；所述权重值根据优化过程中需要各个参数目标参与的贡献比进行添加；优化类型包括 RMS(均方根)和PTV(峰谷值)两种类型；优化参考点有三种选择，分别为以中心为参考点、以光线为参考点和无参考点。
进一步地，步骤S2中所述的三维建模软件包括Solidworks或者 Catia；根据步骤S1中导出的镜片模型的直径和镜片之间的间距设计镜筒的形状，利用Solidworks或者Catia建立镜筒和外壳的机械结构模型，完成镜片与镜筒的装配，得到整个多孔径结构的装配图。
进一步地，所述步骤S3的具体内容为：将多孔径光机结构模型保存成能够导入有限元软件的格式后导入有限元分析软件Ansys Workbench中，并在软件中对装配体完成接触约束的设置、材料分配和网格划分前处理工作；之后进行理论模态分析，即在AnsysWorkbench的Modal中设置固定约束并选择求解的阶数，求解后得到光机结构的固有频率和振型；接着根据实际工况进行振动仿真，包括简谐振动和随机振动；最后进行频率响应分析以及结果后处理。
进一步地，在软件中对装配体完成接触约束的设置、材料分配和网格划分前处理工作的具体实现如下：所述在Ansys Workbench的 Connections-Contacts中根据实际情况完成Bonded、No separation、Rough、Frictionless、Frictional和Forced FrictionalSliding 六种约束状态的设置，在Engineering Data模块将光机结构所涉及的材料进行添加后并在Geometry中对每个部件进行材料的分配，在 Mesh中插入六面体网格命令并调节sizing参数控制网格尺寸。
进一步地，所述进行频率响应分析以及结果后处理的具体内容为：在振动分析完成后，在菜单栏中的Tools中插入Respond PSD Tool 并选择所要进行分析的点或面进行求解，求解后对频率响应分析所得数据导出，在Solution模块选中各个镜面的DirectionalDeformation通过命令流或右击将节点位移数据导出，利用数据进行绘图或者直接在有限元软件中进行截图。
进一步地，所述步骤S4的具体内容为：对多孔径光机结构进行振动实验，约束与激励的输入应与仿真分析时相同，首先应进行实验模态分析对比结果与仿真结果的差异，然后依次进行简谐振动与随机振动实验，利用红外传感器得到振动的频率响应，将实验得到的结果与步骤S3有限元频率响应分析得到的结果进行比对，实验与仿真误差控制在10％以内认为仿真结果可信,否则需对模型重新执行步骤S2 到步骤S4直至达到误差允许范围内，方可利用仿真数据进行下一步分析方可利用仿真数据进行下一步分析。
进一步地，所述步骤S7的具体内容为：
合成孔径的MTF可由每个子孔径的MTF通过叠加的方法计算得出，采用如下公式计算：
Figure BDA0002838054660000051
(2)
式中，fall为整个多孔径光学系统的MTF，fsingle为每个子孔径的 MTF，δ为脉冲函数，N为子孔径的数目，*为卷积，λ为波长，f 为焦距，(Δxn,Δyn)为任意两个子孔径之间的距离。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过仿真分析对振动造成的光学性能的影响进行了预判，符合预定指标后(振动后MTF在120lp/mm处的值大于0.25)可对结构进行加工。通过本发明可以快速准确地判断实际工况下振动对多孔径光学系统MTF的影响，进而可以判断振动对多孔径光学系统成像质量是否造成影响。
综合上述优势，这种振动对多孔径光学系统MTF影响的评价方法具有低成本、适用范围广的优点，可以广泛应用于振动对多孔径光学系统MTF值的影响问题。
附图说明
图1为本发明实施例的评价方法流程图。
图2为本发明实施例的三孔径光学镜片示意图。
图3为本发明实施例的三孔径设备的机械结构示意图。
图4为本发明实施例的振动前三孔径光学系统的MTF曲线图。
图5为本发明实施例的振动后三孔径光学系统的MTF曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供一种振动对多孔径光学系统MTF影响的评价方法，包括以下步骤：
步骤S1：利用光学设计软件建立多孔径光学系统的模型，即利用光学设计软件对每个孔径进行光学系统的建模，利用软件中的优化功能即评价函数，设置评价函数编辑器中的参数目标、权重、优化类型和优化参考点；光学软件会利用有效阻尼最小二乘法优化参数目标与权重值所组成的评价函数，对光学系统实现优化，优化后利用光学软件得到光学系统的每个子孔径的MTF作为评价多孔径设备成像质量的评价指标，并导出镜片的三维结构模型即导出每个子孔径镜片的机械模型；所述光学系统的模型为每个子孔径的镜片所组成的光学模型；
步骤S2：在三维建模软件中建立多孔径系统的机械模型，并与步骤S1得出的镜片模型进行装配，得到多孔径设备的整体结构装配图即多孔径光机结构模型；
步骤S3：将多孔径光机结构模型导入有限元软件，进行模态分析，并根据实际工况对结构进行振动仿真分析，最后进行频率响应分析及结果后处理，在结果后处理中导出各镜面节点位移；
步骤S4：对多孔径结构进行振动实验，验证振动仿真结果的可信度；
步骤S5：将步骤S3中的仿真结果经过步骤S4中的实验结果验证后，将振动仿真得到的各个镜片的节点位移导出，并进行坐标系变换，利用Matlab软件中的Zernike多项式对进行坐标系变换后的节点位移数据进行拟合并把拟合得到的Zernike多项式的系数导出；
即将振动仿真得到的各个镜片的节点位移导出，变换坐标系后用 Zernike多项式对其进行拟合；(将有限元得出的镜片位移变形数据导出，将坐标系变换后通过Matlab软件利用Zernike函数对各个镜面进行拟合，并将每个光学表面的拟合结果导出。)
Figure BDA0002838054660000081
其中Z为坐标转换后的镜面变形量，
Figure BDA0002838054660000082
为Zernike多项式的第i 项，ai为多项式第i项前的系数。
步骤S6：把每个镜片表面的多项式系数导回到光学设计软件中，得到各个镜面振动后的数据信息，利用各个镜面新的数据更新后得到MTF即为振动后多孔径光学系统的每个子孔径的MTF；
即将每个镜片的拟合结果导入光学软件，即将变形参数添加到每个镜面，导出的MTF即为振动后的多孔径光学系统的每个子孔径的 MTF；(将每个镜面的拟合结果导入光学软件，即将拟合系数分配到每个光学表面后，即为多孔径光学系统受振动影响后的成像情况，并导出每个子孔径光路的MTF图。)
步骤S7：将子孔径的MTF利用叠加法合成为整个多孔径光学系统的MTF，将振动前后整个多孔径光学系统的MTF进行对比，两条MTF曲线的差异即为振动对多孔径光学系统MTF的影响，在同一某空间频率处，若下降值小于等于0.15，认为振动对光学系统影响很小；若下降值大于0.15且小于等于0.3，则认为振动对光学系统有一定影响；若下降值大于0.3，则认为振动对光学系统影响较大，由此实现评价。
即振动后MTF曲线会下降，通过比较在某一空间频率(lp/mm) 处的振动前后曲线值的差异来实现评价。具体在哪一个空间频率应根据设计的光学系统而定。
在本实施例中，步骤S1中所述的光学设计软件包括Zemax或 Code-V。
在本实施例中，步骤S1中所述参数目标包括设置镜片的曲率、厚度、玻璃材质、二次曲面、参量数据以及附加数据；所述权重值根据优化过程中需要各个参数目标参与的贡献比进行添加；优化类型包括RMS(均方根)和PTV(峰谷值)两种类型；优化参考点有三种选择，分别为以中心为参考点、以光线为参考点和无参考点。
在本实施例中，步骤S2中所述的三维建模软件包括Solidworks 或者Catia；根据步骤S1中导出的镜片模型的直径和镜片之间的间距设计镜筒的形状，利用Solidworks或者Catia建立镜筒和外壳的机械结构模型，完成镜片与镜筒的装配，得到整个多孔径结构的装配图。
在本实施例中，所述步骤S3的具体内容为：将多孔径光机结构模型保存成能够导入有限元软件的格式后导入有限元分析软件Ansys Workbench中，并在软件中对装配体完成接触约束的设置、材料分配和网格划分前处理工作；之后进行理论模态分析，即在AnsysWorkbench的Modal中设置固定约束并选择求解的阶数，求解后得到光机结构的固有频率和振型；接着根据实际工况进行振动仿真，包括简谐振动和随机振动；最后进行频率响应分析以及结果后处理。
在本实施例中，在软件中对装配体完成接触约束的设置、材料分配和网格划分前处理工作的具体实现如下：所述在Ansys Workbench 的Connections-Contacts中根据实际情况完成Bonded、No separation、Rough、Frictionless、Frictional和Forced FrictionalSliding六种约束状态的设置，在Engineering Data模块将光机结构所涉及的材料进行添加后并在Geometry中对每个部件进行材料的分配，在Mesh中插入六面体网格命令并调节sizing参数控制网格尺寸。
在本实施例中，所述进行频率响应分析以及结果后处理的具体内容为：在振动分析完成后，在菜单栏中的Tools中插入Respond PSD Tool并选择所要进行分析的点或面进行求解，求解后对频率响应分析所得数据导出，在Solution模块选中各个镜面的Directional Deformation通过命令流或右击将节点位移数据导出，利用数据进行绘图或者直接在有限元软件中进行截图。
在本实施例中，所述步骤S4的具体内容为：对多孔径光机结构进行振动实验，约束与激励的输入应与仿真分析时相同，首先应进行实验模态分析对比结果与仿真结果的差异，然后依次进行简谐振动与随机振动实验，利用红外传感器得到振动的频率响应，将实验得到的结果与步骤S3有限元频率响应分析得到的结果进行比对，实验与仿真误差控制在10％以内认为仿真结果可信，否则需对模型重新执行步骤S2到步骤S4直至达到误差允许范围内，方可利用仿真数据进行下一步分析。
在本实施例中，所述步骤S7的具体内容为：
合成孔径的MTF可由每个子孔径的MTF通过叠加的方法计算得出，采用如下公式计算：
Figure BDA0002838054660000111
式中，fall为整个多孔径光学系统的MTF，fsingle为每个子孔径的 MTF，δ为脉冲函数，N为子孔径的数目，*为卷积，λ为波长，f 为焦距，(Δxn,Δyn)为任意两个子孔径之间的距离。
较佳的，本实施例将振动源与光学、机械模型进行联合仿真，最后选择MTF作为评价光学性能的指标，分析镜面面形变化和镜片刚体位移对多孔径光学系统MTF的影响。
本实施例可用于预测多孔径光学系统在实际工况运行时振动对其MTF的影响，采用仿真分析并用实验进行修正的思路。
较佳的，在本实施例中，
1)根据多孔径光学系统的设计指标，在光学设计软件Zemax中输入各个镜面的直径、厚度等数据以及每个镜片的材料，光学参数输入完成后，对其进行优化，达到预定指标后即可输出镜片的三维模型，并保存此时的MTF作为对比。
2)机械结构设计是多孔径光机结构在光学系统的设计完成后，针对光学系统的一个整体性的设计。在形状设计中，需要明确每个子孔径的体积、尺寸以及位置关系等数据。当构型确定后，其主结构形式基本可以确定。用三维设计软件进行结构设计，并不断进行优化，设计时需兼顾刚度设计原则、轻量化设计原则、充分利用有限安装空间原则、可靠性和可生产性原则，将最终的的机械结构与镜片模型完成装配。
3)将多孔径光机结构模型导入有限元软件，并根据实际工况对结构进行振动仿真分析；并对装配体完成接触约束的设置，根据实际情况进行材料分配，网格划分尽量采用六面体网格，镜片网格划分要做到均匀，并在软件中进行理论模态分析，若光机结构存在不足之处，需对结构进行改进。然后根据实际工况进行简谐振动与随机振动仿真，并得出光机结构采样点或面的的正弦振动响应曲线和随机振动响应曲线。
4)根据多孔径光机结构的实际安装条件，进行实验模态分析以及简谐振动与随机振动实验，利用红外传感器得到振动的频率响应，将实验得到的结果与步骤3有限元分析得到的结果进行比对，实验与仿真误差控制在10％以内认为仿真结果可信，方可利用有限元分析得到的节点数据进行下一步分析。
5)有限元软件是基于笛卡尔坐标系，而光学分析软件是基于表面法向坐标系，因此必须对这两种数据进行转换，这里将有限元分析的数据转化为光学软件的坐标系数据。将有限元仿真分析得到的节点位移数据变换坐标系后得到的数据带入Zernike多项式，用施密特正交方法进行拟合。将转换坐标系后的数据在Matlab中描绘出来，即原始数据得出的镜面云图，包括了刚体位移和镜面表面变形。为了快速评估拟合结果的质量，从计算出的Zernike系数中再重建拓扑数据，并将其用Matlab进行处理，得到拟合各个镜面云图。去除刚体位移就可以得到镜面的面形变化云图。
6)将每个镜面的拟合结果导入光学软件，即将变形参数添加到每个镜面，导出的MTF即为振动后的多孔径光学系统的每个子孔径的MTF。
7)将子孔径的MTF合成为整个多孔径光学系统的MTF。合成孔径的MTF可由每个子孔径的MTF通过叠加的方法用下式计算得出：
Figure BDA0002838054660000131
式中，fall为整个多孔径光学系统的MTF，fsingle为每个子孔径的 MTF，δ为脉冲函数，N为子孔径的数目，*为卷积，λ为波长，f为焦距，(Δxn,Δyn)为任意两个子孔径之间的距离。
特别的，在本实施例中：
3)中的接触设置，螺钉螺纹连接应设置为固定约束，镜片与镜筒应设置为摩擦约束。
4)中仿真结果与实验结果误差在10％判定为合理。
5)选用36项Zernike多项式作为基底函数进行拟合。
6)导出的数据应为dat格式，可以被光学设计软件直接识别并自动添加到相应位置。
本实施例的一具体示例如下：
(1)建立一个三孔径光学模型，光学系统选用两个12mm的短焦镜筒与一个50mm的长焦镜筒。采用多个镜筒共同发挥作用，收集的光束可共同成像，相互干涉，适合监测变化迅速的目标，三个孔径的光路示意图如图2所示。
(2)三孔径的布局采用等边三角形分布，长焦镜筒的长焦镜筒位于上方，两个短焦镜筒位于下方，三个镜筒的中心间距均为80mm。基本构型确定后，其主结构形式基本可以确定。用三维设计软件进行结构设计，并不断进行优化，兼顾刚度设计原则、轻量化设计原则、充分利用有限安装空间原则、可靠性和可生产性原则，将最终的的机械结构与镜片模型完成装配，三孔径整体光学结构装配图如图3所示。 (3)将三孔径光机结构模型导入有限元软件Ansys Workbench，并根据实际工况对结构进行振动仿真分析：首先在软件中对装配体完成接触约束的设置，根据实际情况材料分配，镜筒采用镁合金，外壳采用铝合金，镜片采用石英玻璃，网格划分采用六面体网格，镜片网格划分均匀，并在软件中进行理论模态分析。然后根据实际工况进行简谐振动与随机振动仿真，并得出光机结构采样点的的简谐振动响应曲线和随机振动响应曲线。
(4)根据三孔径结构的实际安装条件，进行实验模态分析以及简谐振动与随机振动实验，利用红外传感器得到振动的频率响应，将实验得到的结果与步骤3有限元分析得到的结果进行比对，实验与仿真误差控制在10％以内认为仿真结果可信，表1为结构采样点三个方向的频率分析与实验结果，结果显示误差均小于10％，因此可利用有限元分析得到的节点数据进行下一步分析。
表1
Figure BDA0002838054660000151
(5)已经证实仿真结果可靠，由于有限元软件是基于笛卡尔坐标系，而光学分析软件是基于表面法向坐标系，需要将有限元分析的数据转化为光学软件的坐标系数据。将有限元仿真分析得到的节点位移数据变换坐标系后得到的数据带入Zernike多项式，用施密特正交方法进行拟合。将转换坐标系后的数据在Matlab中描绘出来，即原始数据得出的镜面云图，包括了刚体位移和镜面表面变形。从计算出的 Zernike系数中再重建拓扑数据，并将其用Matlab进行处理，得到拟合的各镜面云图，去除刚体位移就可以得到镜面的面形变化云图。表 2长焦镜筒的主镜外表面拟合后的Zernike多项式系数。
表2
Figure BDA0002838054660000161
(6)将每个镜面的拟合结果36项系数保存成dat格式，导回光学软件Zemax，即将变形参数添加到了每个镜面，导出的MTF即为振动后的多孔径光学系统的每个子孔径的MTF。
(7)将子孔径的MTF合成为整个多孔径光学系统的MTF。合成孔径的MTF可由每个子孔径的MTF通过叠加的方法用下式计算得出：
Figure BDA0002838054660000162
图4是振动前三孔径光学系统合成后的MTF，图5是振动后三孔径光学系统合成后的MTF。
结果显示：通过对比在120lp/mm处的值发现，MTF由0.48下降为0.4，下降量仅为0.08，说明设计的三孔径光学系统在振动下光学性能稳定，也由此说明本实施例评价方法可行。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种振动对多孔径光学系统MTF影响的评价方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：利用光学设计软件建立多孔径光学系统的模型，即利用光学设计软件对每个孔径进行光学系统的建模，利用软件中的优化功能即评价函数，设置评价函数编辑器中的参数目标、权重、优化类型和优化参考点；光学软件会利用有效阻尼最小二乘法优化参数目标与权重值所组成的评价函数，对光学系统实现优化，优化后利用光学软件得到光学系统的每个子孔径的MTF作为评价多孔径设备成像质量的评价指标，并导出镜片的三维结构模型即导出每个子孔径镜片的机械模型；所述光学系统的模型为每个子孔径的镜片所组成的光学模型；
步骤S2：在三维建模软件中建立多孔径系统的机械模型，并与步骤S1得出的镜片模型进行装配，得到多孔径设备的整体结构装配图即多孔径光机结构模型；
步骤S3：将多孔径光机结构模型导入有限元软件，进行模态分析，并根据实际工况对结构进行振动仿真分析，最后进行频率响应分析及结果后处理，在结果后处理中导出各镜面节点位移；
步骤S4：对多孔径结构进行振动实验，验证振动仿真结果的可信度；
步骤S5：将步骤S3中的仿真结果经过步骤S4中的实验结果验证后，将振动仿真得到的各个镜片的节点位移导出，并进行坐标系变换，利用Matlab软件中的Zernike多项式对进行坐标系变换后的节点位移数据进行拟合并把拟合得到的Zernike多项式的系数导出；
Figure FDA0002838054650000021
其中Z为坐标转换后的镜面变形量，
Figure FDA0002838054650000022
为Zernike多项式的第i项，ai为多项式第i项前的系数；
步骤S6：把每个镜片表面的多项式系数导回到光学设计软件中，得到各个镜面振动后的数据信息，利用各个镜面新的数据更新后得到MTF即为振动后多孔径光学系统的每个子孔径的MTF；
步骤S7：将子孔径的MTF利用叠加法合成为整个多孔径光学系统的MTF，将振动前后整个多孔径光学系统的MTF进行对比，两条MTF曲线的差异即为振动对多孔径光学系统MTF的影响，在同一某空间频率处，若下降值小于等于0.15，认为振动对光学系统影响很小；若下降值大于0.15且小于等于0.3，则认为振动对光学系统有一定影响；若下降值大于0.3，则认为振动对光学系统影响较大，由此实现评价。
2.根据权利要求1所述的一种振动对多孔径光学系统MTF影响的评价方法，其特征在于：步骤S1中所述的光学设计软件包括Zemax或Code-V。
3.根据权利要求1所述的一种振动对多孔径光学系统MTF影响的评价方法，其特征在于：步骤S1中所述参数目标包括设置镜片的曲率、厚度、玻璃材质、二次曲面、参量数据以及附加数据；所述权重值根据优化过程中需要各个参数目标参与的贡献比进行添加；优化类型包括RMS和PTV两种类型；优化参考点有三种选择，分别为以中心为参考点、以光线为参考点和无参考点。
4.根据权利要求1所述的一种振动对多孔径光学系统MTF影响的评价方法，其特征在于：步骤S2中所述的三维建模软件包括Solidworks或者Catia；根据步骤S1中导出的镜片模型的直径和镜片之间的间距设计镜筒的形状，利用Solidworks或者Catia建立镜筒和外壳的机械结构模型，完成镜片与镜筒的装配，得到整个多孔径结构的装配图。
5.根据权利要求1所述的一种振动对多孔径光学系统MTF影响的评价方法，其特征在于：所述步骤S3的具体内容为：将多孔径光机结构模型保存成能够导入有限元软件的格式后导入有限元分析软件Ansys Workbench中，并在软件中对装配体完成接触约束的设置、材料分配和网格划分前处理工作；之后进行理论模态分析，即在Ansys Workbench的Modal中设置固定约束并选择求解的阶数，求解后得到光机结构的固有频率和振型；接着根据实际工况进行振动仿真，包括简谐振动和随机振动；最后进行频率响应分析以及结果后处理。
6.根据权利要求5所述的一种振动对多孔径光学系统MTF影响的评价方法，其特征在于：在软件中对装配体完成接触约束的设置、材料分配和网格划分前处理工作的具体实现如下：所述在Ansys Workbench的Connections-Contacts中根据实际情况完成Bonded、Noseparation、Rough、Frictionless、Frictional和Forced Frictional Sliding六种约束状态的设置，在Engineering Data模块将光机结构所涉及的材料进行添加后并在Geometry中对每个部件进行材料的分配，在Mesh中插入六面体网格命令并调节sizing参数控制网格尺寸。
7.根据权利要求5所述的一种振动对多孔径光学系统MTF影响的评价方法，其特征在于：所述进行频率响应分析以及结果后处理的具体内容为：在振动分析完成后，在菜单栏中的Tools中插入Respond PSD Tool并选择所要进行分析的点或面进行求解，求解后对频率响应分析所得数据导出，在Solution模块选中各个镜面的Directional Deformation通过命令流或右击将节点位移数据导出，利用数据进行绘图或者直接在有限元软件中进行截图。
8.根据权利要求1所述的一种振动对多孔径光学系统MTF影响的评价方法，其特征在于：所述步骤S4的具体内容为：对多孔径光机结构进行振动实验，约束与激励的输入应与仿真分析时相同，首先应进行实验模态分析对比结果与仿真结果的差异，然后依次进行简谐振动与随机振动实验，利用红外传感器得到振动的频率响应，将实验得到的结果与步骤S3有限元频率响应分析得到的结果进行比对，实验与仿真误差控制在10％以内认为仿真结果可信，否则需对模型重新执行步骤S2到步骤S4直至达到误差允许范围内，方可利用仿真数据进行下一步分析。
9.根据权利要求1所述的一种振动对多孔径光学系统MTF影响的评价方法，其特征在于：所述步骤S7的具体内容为：
合成孔径的MTF由每个子孔径的MTF通过叠加的方法计算得出，采用如下公式计算：
Figure FDA0002838054650000051
式中，fall为整个多孔径光学系统的MTF，fsingle为每个子孔径的MTF，δ为脉冲函数，N为子孔径的数目，*为卷积，λ为波长，f为焦距，(Δxn,Δyn)为任意两个子孔径之间的距离。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104375270A (zh) * 2014-09-22 2015-02-25 北京理工大学 多孔径部分重叠仿生复眼成像光学系统的设计方法
EP3410091A1 (de) * 2017-06-02 2018-12-05 Trioptics GmbH Vorrichtung zum erfassen einer modulations-transferfunktion und einer zentrierung eines optischen systems
CN110990987A (zh) * 2018-09-28 2020-04-10 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种光学遥感相机成像全链路的仿真方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104375270A (zh) * 2014-09-22 2015-02-25 北京理工大学 多孔径部分重叠仿生复眼成像光学系统的设计方法
EP3410091A1 (de) * 2017-06-02 2018-12-05 Trioptics GmbH Vorrichtung zum erfassen einer modulations-transferfunktion und einer zentrierung eines optischen systems
CN110990987A (zh) * 2018-09-28 2020-04-10 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种光学遥感相机成像全链路的仿真方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
STROJNIK, M 等: "Comparison of linear and rotationally shearing interferometric layouts for extra solar planet detection from space", 《INFRARED SPACEBORNE REMOTE SENSING X》 *
周程灏: "光学稀疏孔径系统设计与中频信息改善方法研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)基础科学辑》 *
姜东旭等: "机载相机非球面光学系统热光学特性分析", 《应用光学》 *

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