CN116011259B - 大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法、系统及介质 - Google Patents

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CN116011259B CN202310280022.7A CN202310280022A CN116011259B CN 116011259 B CN116011259 B CN 116011259B CN 202310280022 A CN202310280022 A CN 202310280022A CN 116011259 B CN116011259 B CN 116011259B
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Abstract

本申请涉及光电成像技术领域，具体为一种大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法、系统及介质。该大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法，包括以下步骤：评估大口径空间望远镜在轨工作状态下存在的静态误差和静态误差；动态像质仿真模型基于所述静态误差计算所述大口径空间望远镜的静态像质；在所述静态误差的基础上在所述动态像质仿真模型加载动态误差，计算所述大口径空间望远镜的第一动态像质，可以准确获得大口径空间望远镜的动态像质。

Description

大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法、系统及介质
技术领域
本申请属于光电成像技术领域，具体为一种大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法、系统及介质。
背景技术
空间望远镜已广泛应用于天文观测、气象预报和军事侦察等领域。随着使用需求的不断升级，客户对空间望远镜的成像视场和分辨能力的要求不断提高，同时，要求厂商在保证空间望远镜设备品质的同时尽可能缩短研制周期。另外，增加空间望远镜的观测口径可进一步提升成像分辨率及视场角。但是由于空间望远镜的电机振动及像移补偿等动态因素，会造成大口径空间望远镜在轨工作状态下像质退化。为准确评估观测信息的准确率，提升找寻望远镜观测目标的准确率，需精确计算空间望远镜在轨工作的动态像质。进一步地，可以根据动态像质计算结果，改良制约成像性能的关键结构，进一步提升空间望远镜成像能力。但是现有技术并没有公开有关大口径空间望远镜动态像质的计算方法。因此，如何准确获得大口径空间望远镜的动态像质，成为亟待解决的问题。
发明内容
本说明书一个或多个实施例的目的是提供一种大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法、系统及介质，准确获得大口径空间望远镜的动态像质。
为解决上述技术问题，本说明书一个或多个实施例是这样实现的：
第一方面，提供了一种大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法，包括以下步骤：评估大口径空间望远镜在轨工作状态下存在的静态误差；动态像质仿真模型基于所述静态误差计算所述大口径空间望远镜的静态像质；在所述静态误差的基础上在所述动态像质仿真模型加载动态误差，计算所述大口径空间望远镜的第一动态像质。
第二方面，提出了一种动态像质仿真计算系统，包括：误差评估模块，用于评估大口径空间望远镜在轨工作状态下存在的静态误差；静态像质计算模块，用于动态像质仿真模型基于所述静态误差计算所述大口径空间望远镜的静态像质；动态像质计算模块，用于在所述静态误差的基础上在所述动态像质仿真模型加载动态误差，计算所述大口径空间望远镜的第一动态像质。
第三方面，提出了一种存储介质，用于计算机可读存储，所述存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行时，实现上述大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法。
由以上本说明书一个或多个实施例提供的技术方案可见，本发明实施例提供的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法，首先评估大口径空间望远镜在轨工作状态下存在的静态误差和动态误差；动态像质仿真模型基于静态误差计算大口径空间望远镜的静态像质；在静态误差的基础上在动态像质仿真模型加载动态误差，计算大口径空间望远镜的第一动态像质。可见本申请提供的大口径空间望远镜动态像质仿真方法首先计算静态误差下的静态像质，在静态误差影响的基础上加载动态误差，计算大口径空间望远镜的动态像质，从而可以评估成像质量是否满足预定指标。基于本申请建立大口径空间望远镜动态像质分析计算系统，确定了空间望远镜动态PSF的建模方法。相比传统全物理硬件模拟方法，借助仿真计算软件对动态像质进行分析，缩短了大口径空间望远镜的研制周期，有效降低制作成本。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对一个或多个实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例提供大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法的流程示意图；
图2是根据本发明实施例提供的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法中计算静态像质和动态像质的流程图；
图3是根据本发明实施例提供的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法中计算动态像质的示意图；
图4（a）是根据本发明实施例提供的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法中某一观测时刻某一观测视场点扩散函数PSF在自身图形坐标系下质心与图形中心的位置关系示意图；
图4（b）是4（a）所示观测视场点扩散函数PSF在像面坐标系下，图形与像面中心位置关系示意图；
图5是根据本发明实施例提供的大口径空间望远镜动态像质仿真计算系统的结构示意图；
图6是图4（a）所示观测视场下，以时间间隔τ毫秒，计算n个时刻下对应的静态点扩散函数，通过位置坐标转换及图形叠加，计算获得nτ毫秒下动态点扩散函数；
图7是根据本发明实施例提供的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法中将确定的误差因素作为单一变量加载至大口径空间望远镜动态像质分析模型计算对应的点扩散函数侧视图、x轴和y轴方向上光学传递函数MTF的示意图；
图8是根据本发明实施例提供的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法中将确定的全部静态误差加载至大口径空间望远镜动态像质分析模型计算对应的点扩散函数侧视图、x轴和y轴方向上光学传递函数MTF的示意图；
图9是根据本发明实施例提供的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法中将确定的误差因素全部加载至空间望远镜动态像质分析模型计算对应的点扩散函数侧视图、x轴和y轴方向上光学传递函数MTF。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本说明书一个或多个实施例中的附图，对本说明书一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的一个或多个实施例仅仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的一个或多个实施例，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，都应当属于本文件的保护范围。
本发明实施例提供的一种大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法，可以准确获得大口径空间望远镜的动态像质。下面将详细地描述本说明书提供的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法及其各个部分。
实施例一
参照图1所示，为本发明实施例提供的一种大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法，包括以下步骤：
步骤S10：评估大口径空间望远镜在轨工作状态下存在的静态误差和动态误差；
评估大口径空间望远镜在轨工作状态下存在的静态误差因素和动态误差，充分考虑大口径空间望远镜在轨工作状态下所受环境影响的误差因素，并将误差因素归结为静态误差和动态误差。
步骤S20：动态像质仿真模型基于静态误差计算大口径空间望远镜的静态像质；
通过动态像质仿真模型实现大口径空间望远镜动态像质的仿真计算，动态像质仿真模型基于静态误差计算得到静态像质，确定出静态误差造成的退化像质。这里可以单次加载一个静态误差，这样可以确定该静态误差对像质的影响大小。首先设计初始光学系统作为动态像质仿真模型并在初始光学系统中加载静态误差，此时形成的光学系统认为是有静态误差的动态像质仿真模型；然后在含有静态误差的光动态像质仿真模型上加载动态误差形成的计算模型定义为动态像质仿真模型。
步骤S30：在静态误差的基础上在动态像质仿真模型加载动态误差，计算大口径空间望远镜的第一动态像质。
在静态误差基础上加载动态误差于动态像质仿真模型，计算第一动态像质，可以准确获得大口径空间望远镜的动态像质。另外，也可以在静态误差基础上加载单次动态误差，因此可以根据第一动态像质的计算结果确定影响像质退化的关键结构设计因素，改善优化结构设计，缩短大口径空间望远镜的研制周期，进一步提升大口径空间望远的成像质量。
通过本发明实施例提供的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法建立了大口径空间望远镜动态像质仿真分析系统，确定了空间望远镜动态PSF的建模方法，可有效计算在轨工作状态下空间望远镜成像系统光学像质，用于评估大口径空间望远镜的研制指标是否满足预定指标。此外，通过该仿真计算方法可以逐一计算各项误差因素引起的大口径空间望远镜的像质退化，可以寻找影响像质退化的关键设计参数，相比传统全物理硬件模拟方法，本动态像质仿真计算方法缩短了大口径空间望远镜的研制周期，有效降低制作成本。
可选地，在步骤S20：静态误差的基础上在仿真模型加载动态误差，计算大口径空间望远镜的动态像质之后，本发明实施例提供的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法，还包括：
根据第一动态像质评估出大口径空间望远镜的成像质量不满足预定指标；优化大口径空间望远镜的原设计结构，得到优化设计结构。
根据第一动态像质的计算结果评估大口径空间望远镜的成像质量是否满足预定指标，即是否满足使用要求。如果不满足预定指标，则基于静态误差和动态误差优化大口径空间望远镜的原设计结构，得到优化后的优化设计结构。因此可以基于静态误差和动态误差查找影响像质退化的关键设计结构，在保证大口径空间望远镜成像质量的前提下改善设计参数、更换模块，进一步提升大口径空间望远镜的成像水平，满足不同客户需求。另外，还可以借助本仿真计算方法，缩短大口径空间望远镜的研制周期，有效降低制作成本。
进一步地，优化大口径空间望远镜的设计结构之后，本发明实施例提供的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法，还包括：计算优化后的大口径空间望远镜的第二动态像质；基于第一动态像质和第二动态像质判断优化设计结构是否有效。
将改良后的第二动态像质与第一动态像质的计算结果判断改良后的优化设计结构是否有效或有显著变化。基于判断结果调整设计结构，为设计结构的优化提供理论依据。
可选地，本发明实施例提供的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法，评估大口径空间望远镜在轨工作状态下存在的静态误差和动态误差，具体包括：基于大口径空间望远镜的使用环境确定误差因素；根据误差因素的变化状态将误差因素分为静态误差和动态误差，静态误差包括重力卸载误差、镜面加工误差、装调误差、光学设计残差、环境变化误差，其中若大口径空间望远镜的镜面由子镜拼接构成，则静态误差还包括镜面拼接误差。
根据空间望远镜的使用环境确定存在的误差因素，根据误差因素的变化状态可分为静态误差和动态误差。以现有先进空间望远镜哈勃、詹姆斯韦伯望远镜为例，空间望远镜在轨工作状态下应包含的静态误差主要包括：重力卸载误差、镜面加工误差、装调误差、光学设计残差、环境变化误差。如果大口径空间望远镜的镜面由拼接子镜组成的情况下静态误差还包括拼接误差，共6项。
动态误差因素主要由电机抖动引起的视轴抖动误差和快摆镜补偿像移残差两部分组成。
可选地，本发明实施例提供的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法，基于静态误差像质仿真模型计算大口径空间望远镜的静态像质，具体包括：对应静态误差分别建立静态误差模型，其中静态误差模型采用大口径空间望远镜的镜面形状变化参数和镜面位置变化参数表征静态误差；以光学设计系统作为动态像质仿真模型依次加载静态误差模型；基于光线追迹原理计算得到静态误差引起空间望远镜的静态像质。
以光学设计系统为动态像质仿真模型的初始光学模型，依次加载静态误差引起的由各镜面形状变化参数和镜面位置变化参数表征的静态误差模型。通过光线追迹原理计算得到大口径空间望远镜的静态误差引起的静态像质，通常采用评估PSF进行像质退化的对比。这里所说的光学设计系统可以是现在刚刚退役的天文望远镜哈勃（Hubble），在轨服役的斯内普（SNAP），詹姆斯韦伯（JWST），以及我国在研的大型空间望远镜中国空间站空间望远镜（CSST）等大口径空间望远镜的光学设计系统。
可选地，本发明实施例提供的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法，在静态误差的基础上在像质仿真模型加载动态误差，计算大口径空间望远镜的第一动态像质，具体包括：对应动态误差分别建立动态误差模型，动态误差包括电机抖动引起的视轴抖动误差和快摆镜补偿像移残差，并且动态误差模型采用大口径空间望远镜的镜面位置变化参数表征动态误差；将第一观测时刻的各动态误差模型加载至已加载静态误差模型的动态像质仿真模型；基于光线追迹原理计算大口径空间望远镜在第一观测时刻的观测视场的点扩散函数PSF和PSF在大口径空间望远镜的光学成像系统中的成像像面的位置坐标；根据大口径空间望远镜配套探测器的光电截止频率计算动态采样间隔时长，并自第一观测时刻间隔动态采样间隔时长设定第一观测时刻，第二观测时刻，…，第n观测时刻。探测器的光电截止频率的倒数即为每次转换信号所用时长，即动态采样间隔时长，每次信号转换对应一幅瞬态PSF。然后依次计算动态采样间隔时长中第一观测时刻之外其余观测时刻在同一观测视场下的PSF和PSF在大口径空间望远镜的光学成像系统中的成像像面的位置坐标；以第一观测时刻的观测视场的点扩散函数PSF为基底，依次叠加其余观测时刻在同一观测视场下的PSF，计算得到第一动态像质。其中点扩散函数PSF表示初始的观测视场点经光学系统退化成点斑的物理参数。在分析计算中，PSF以数字矩阵的形式表示，每个时刻的PSF数字矩阵一一对应叠加，即可计算出最终动态PSF数字矩阵，即第一动态像质。
动态误差因素主要由电机抖动引起视轴抖动误差和快摆镜补偿像移残差两部分组成。由于光学软件无法直接计算动态像质，本方案采用数学计算方式获取动态像质。上述两项动态误差因素引起的镜面形状变化可以忽略不计，动态误差模型主要由镜面位置变化参数表示。
如上所述，首先，将第一观测时刻各镜位置参数加载至包含静态误差模型的光学系统中，通过光线追迹原理可以计算该第一时刻下观测视场的PSF及PSF在大口径空间望远镜的光学成像系统中的成像像面的位置坐标；随后，根据大口径空间望远镜配套探测器的光电截止频率计算动态采样间隔时长，并自第一观测时刻将动态采样间隔时长分为第一观测时刻，第二观测时刻，…，第n观测时刻。在该采样间隔时长下依次计算除第一观测时刻的其余时刻同一观测视场的PSF及PSF在大口径空间望远镜的光学成像系统中的成像像面的位置坐标；最后，以第一观测时刻的同一观测视场PSF为基底，依次叠加其余时刻统一观测视场的PSF后，计算获取第一动态像质。
本发明实施例提供的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法的流程如图2所示，依次建立6项静态误差模型（图中未显示拼接误差），动态误差模型2项；首先将各项静态误差加载到动态像质分析系统中，再加载2项动态误差；本发明实施例采用数学建模方式计算动态像质。动态像质的计算流程如图3所示：首先根据大口径空间望远镜配置探测器的光电截止频率确定动态像质的采样间隔时长。通过计算电机抖动引起视轴抖动误差和快摆镜补偿像移残差求取每一观测时刻下镜面位置变化参数，并带入到光线追迹软件中。依次计算获得每一观测时刻下各观测视场点的点扩散函数的图形信息和位置信息，某一观测视场点扩散函数的位置信息如图4（a）、4（b）所示。采用线性叠加算法，将各观测时刻下同一观测视场点扩散函数在对应位置处依次叠加，计算获得所有采样间隔时长同一观测视场点不同观测时刻的动态点扩散函数，用于分析动态像质。以计算图4（a）、4（b）所示同一观测视场的动态像质为例，采样间隔时长为τ毫秒，计算n个时刻下nτ毫秒内的同一观测视场的动态点扩散函数，计算过程如图6所示。采用单一变量法，将环境变化引起的误差因素加载至大口径空间望远镜动态像质仿真计算模型评价误差因素对动态像质的影响，如图7、图8、图9所示。
具体地：首先，将第一观测时刻各镜面的位置参数加载至作为动态像质仿真模型的大口径空间望远镜的初始光学系统，通过光线追迹原理可以计算图4（a）、4（b）所述观测视场的PSF及PSF在大口径空间望远镜的光学成像系统中的成像像面的位置坐标；获取的静态点扩散函数包含图形和质心位置两部分信息。设定本发明实施例采用右手坐标系计算静态点扩散函数质心到图形中心的位置坐标(x1,y1)。然后计算每一观测时刻下各视场静态点扩散函数的图形位置，通过光线追迹上述观测视场的主光线，可以计算获取静态点扩散函数图形中心在大口径空间望远镜的光学系统中的成像像面处的位置坐标(X1,Y1)。如图6所示，采用线性叠加法计算各观测视场动态点扩散函数：通过计算可得，上述观测视场的第2观测时刻下静态点扩散函数的质心在像面处的位置坐标为(X1+ x1,Y1+ y1)，同时已知该静态点扩散函数的图形信息，依次计算每一观测时刻该观测视场静态点扩散函数图形和质心位置坐标。以第一观测时刻静态点扩散函数的信息为基底，依次叠加n个观测时刻下采样间隔时长τ毫秒的静态像质，计算得到该观测视场nτ毫秒采样间隔时长的动态点扩散函数，用于分析动态像质。
如图7-图9所示，采用单一变量法计算不同误差因素下大口径空间望远镜对应的光学像质。首先，将误差因素加载至动态像质分析模型中，计算该项误差因素下的成像质量；然后，将全部静态误差加载至动态像质分析模型中，计算静态误差下的成像质量；再将静态误差和动态误差全部加载至动态像质分析模型中，计算第一动态像质，即综合光学成像质量，根据三项计算结果对比各个误差因素在整体误差因素下的占比。根据该方法可以有效判断影响动态像质成像质量的关键误差因素，根据分析结果改良某些误差因素对应的加工工艺或设计结构精度。
通过以上分析可以看出，本发明实施例提供的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法，首先评估大口径空间望远镜在轨工作状态下存在的静态误差和动态误差；动态像质仿真模型基于静态误差计算大口径空间望远镜的静态像质；在静态误差的基础上在动态像质仿真模型加载动态误差，计算大口径空间望远镜的第一动态像质。可见本申请提供的大口径空间望远镜动态像质仿真方法首先计算静态误差下的静态像质，在静态误差影响的基础上加载动态误差，计算大口径空间望远镜的动态像质，从而可以评估成像质量是否满足预定指标。基于本申请建立大口径空间望远镜动态像质分析计算系统，确定了空间望远镜动态PSF的建模方法。相比传统全物理硬件模拟方法，借助仿真计算软件对动态像质进行分析，缩短了大口径空间望远镜的研制周期，有效降低制作成本。
实施例二
如图5所示，本实施例提供一种动态像质仿真计算系统1，该仿真系统1包括：误差评估模块10、静态像质计算模块20和动态像质计算模块30，可以准确获得大口径空间望远镜的动态像质。其中：
误差评估模块10，用于评估大口径空间望远镜在轨工作状态下存在的静态误差和动态误差；
评估大口径空间望远镜在轨工作状态下存在的静态误差因素和动态误差，充分考虑大口径空间望远镜在轨工作状态下所受环境影响的误差因素，并将误差因素归结为静态误差和动态误差。
静态像质计算模块20，用于基于静态误差像质仿真模型计算大口径空间望远镜的静态像质；
通过动态像质仿真模型实现大口径空间望远镜动态像质的仿真计算，动态像质仿真模型基于静态误差计算得到静态像质，确定出静态误差造成的退化像质。这里可以单次加载一个静态误差，这样可以确定该静态误差对像质的影响大小。先设计初始光学系统作为动态像质仿真模型并在初始光学系统中加载静态误差，此时形成的光学系统认为是有静态误差的动态像质仿真模型；然后在含有静态误差的光动态像质仿真模型上加载动态误差形成的计算模型定义为动态像质仿真模型。
动态像质计算模块30，用于在静态误差的基础上在像质仿真计算模型加载动态误差，计算大口径空间望远镜的第一动态像质。
在静态误差基础上加载动态误差于动态像质仿真计算模型，计算第一动态像质，可以准确获得大口径空间望远镜的动态像质。另外，也可以在静态误差基础上加载单次动态误差，因此可以根据第一动态像质的计算结果确定影响像质退化的关键结构设计因素，改善优化结构设计，缩短大口径空间望远镜的研制周期，进一步提升大口径空间望远的成像质量。
通过本发明实施例提供的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法建立了大口径空间望远镜动态像质仿真分析系统，确定了空间望远镜动态PSF的建模方法，可有效计算在轨工作状态下空间望远镜成像系统光学像质，用于评估大口径空间望远镜的研制指标是否满足预定指标。此外，通过该仿真计算方法可以逐一计算各项误差因素引起的大口径空间望远镜的像质退化，可以寻找影响像质退化的关键设计参数，相比传统全物理硬件模拟方法，本动态像质仿真计算方法缩短了大口径空间望远镜的研制周期，有效降低制作成本。
可选地，本发明实施例提供的大口径空间望远镜动态像质仿真系统，还包括：成像质量评估模块，用于根据第一动态像质评估出大口径空间望远镜的成像质量不满足预定指标；
设计结构优化模块，用于优化大口径空间望远镜的原设计结构，得到优化设计结构。
根据第一动态像质的计算结果评估大口径空间望远镜的成像质量是否满足预定指标，即是否满足使用要求。如果不满足预定指标，则基于静态误差和动态误差优化大口径空间望远镜的原设计结构，得到优化后的优化设计结构。因此可以基于静态误差和动态误差查找影响像质退化的关键设计结构，在保证大口径空间望远镜成像质量的前提下改善设计参数、更换模块，进一步提升大口径空间望远镜的成像水平，满足不同客户需求。另外，还可以借助本仿真计算方法，缩短大口径空间望远镜的研制周期，有效降低制作成本。
可选地，本发明实施例提供的大口径空间望远镜动态像质仿真计算系统，系统还包括像质优化判断模块，在动态像质计算模块计算优化后的大口径空间望远镜的第二动态像质后，像质优化判断模块用于基于第一动态像质和第二动态像质判断优化设计结构是否有效。
将改良后的第二动态像质与第一动态像质的计算结果判断改良后的优化设计结构是否有效或有显著变化。基于判断结果调整设计结构，为设计结构的优化提供理论依据。
通过以上分析可以看出，本发明实施例提供的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法，首先评估大口径空间望远镜在轨工作状态下存在的静态误差和动态误差；动态像质仿真模型基于静态误差计算大口径空间望远镜的静态像质；在静态误差的基础上在动态像质仿真模型加载动态误差，计算大口径空间望远镜的第一动态像质。可见本申请提供的大口径空间望远镜动态像质仿真方法首先计算静态误差下的静态像质，在静态误差影响的基础上加载动态误差，计算大口径空间望远镜的动态像质，从而可以评估成像质量是否满足预定指标。基于本申请建立大口径空间望远镜动态像质分析计算系统，确定了空间望远镜动态PSF的建模方法。相比传统全物理硬件模拟方法，借助仿真计算软件对动态像质进行分析，缩短了大口径空间望远镜的研制周期，有效降低制作成本。
实施例三
本实施例提供一种存储介质，用于计算机可读存储，所述存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行时，实现如根据上文所述的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法。
通过以上分析可以看出，本发明实施例提供的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法，首先评估大口径空间望远镜在轨工作状态下存在的静态误差和动态误差；动态像质仿真模型基于静态误差计算大口径空间望远镜的静态像质；在静态误差的基础上在动态像质仿真模型加载动态误差，计算大口径空间望远镜的第一动态像质。可见本申请提供的大口径空间望远镜动态像质仿真方法首先计算静态误差下的静态像质，在静态误差影响的基础上加载动态误差，计算大口径空间望远镜的动态像质，从而可以评估成像质量是否满足预定指标。基于本申请建立大口径空间望远镜动态像质分析计算系统，确定了空间望远镜动态PSF的建模方法。相比传统全物理硬件模拟方法，借助仿真计算软件对动态像质进行分析，缩短了大口径空间望远镜的研制周期，有效降低制作成本。
总之，以上所述仅为本说明书的较佳实施例而已，并非用于限定本说明书的保护范围。凡在本说明书的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书的保护范围之内。
上述一个或多个实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

Claims (9)

1.一种大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
评估大口径空间望远镜在轨工作状态下存在的静态误差；
动态像质仿真模型基于所述静态误差计算所述大口径空间望远镜的静态像质；
在所述静态误差的基础上在所述动态像质仿真模型加载动态误差，计算所述大口径空间望远镜的第一动态像质；具体包括：
对应所述动态误差分别建立动态误差模型，所述动态误差包括电机抖动引起的视轴抖动误差和快摆镜补偿像移残差，并且所述动态误差模型采用大口径空间望远镜的镜面位置变化参数表征所述动态误差；
将第一观测时刻的各动态误差模型加载至已加载所述静态误差模型的动态像质仿真模型；
基于光线追迹原理计算所述大口径空间望远镜在所述第一观测时刻的观测视场的点扩散函数PSF和PSF在所述大口径空间望远镜的光学系统中的成像像面的位置坐标；根据所述大口径空间望远镜配套探测器的光电截止频率计算动态采样间隔时长，并自所述第一观测时刻间隔所述动态采样间隔时长设定第二观测时刻，…，第n观测时刻；
依次计算所述动态采样间隔时长中所述第一观测时刻之外其余观测时刻在同一所述观测视场下的PSF和PSF在像面的位置坐标；
以所述第一观测时刻的所述观测视场的点扩散函数PSF为基底，依次叠加所述其余观测时刻在同一观测视场下的PSF，计算得到所述第一动态像质；其中，
首先，将第一观测时刻各镜面的位置参数加载至作为动态像质仿真模型的大口径空间望远镜的初始光学系统，通过光线追迹原理可以计算所述观测视场的PSF及PSF在大口径空间望远镜的光学成像系统中的成像像面的位置坐标；获取的静态点扩散函数包含图形和质心位置两部分信息；采用右手坐标系计算静态点扩散函数质心到图形中心的位置坐标(x1,y1)；然后计算每一观测时刻下各视场静态点扩散函数的图形位置，通过光线追迹上述观测视场的主光线，可以计算获取静态点扩散函数图形中心在大口径空间望远镜的光学系统中的成像像面处的位置坐标(X1,Y1)；采用线性叠加法计算各观测视场动态点扩散函数：通过计算可得，上述观测视场的第2观测时刻下静态点扩散函数的质心在像面处的位置坐标为(X1+ x1,Y1+ y1)，同时已知该静态点扩散函数的图形信息，依次计算每一观测时刻该观测视场静态点扩散函数图形和质心位置坐标；以第一观测时刻静态点扩散函数的信息为基底，依次叠加n个观测时刻下采样间隔时长τ毫秒的静态像质，计算得到该观测视场nτ毫秒采样间隔时长的动态点扩散函数，用于分析动态像质。
2.根据权利要求1所述的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法，其特征在于，在所述静态误差的基础上在所述仿真模型加载动态误差，计算所述大口径空间望远镜的动态像质之后，所述方法，还包括：
根据所述第一动态像质评估出所述大口径空间望远镜的成像质量不满足预定指标；
优化所述大口径空间望远镜的原设计结构，得到优化设计结构。
3.根据权利要求2所述的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法，其特征在于，优化所述大口径空间望远镜的设计结构之后，所述方法，还包括：
计算优化后的所述大口径空间望远镜的第二动态像质；
基于所述第一动态像质和所述第二动态像质判断所述优化设计结构是否有效。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法，其特征在于，评估大口径空间望远镜在轨工作状态下存在的静态误差，具体包括：
基于所述大口径空间望远镜的使用环境确定误差因素；
根据所述误差因素的变化状态将所述误差因素分为静态误差和动态误差，所述静态误差包括重力卸载误差. 镜面加工误差. 装调误差. 光学设计残差. 环境变化误差，其中若所述大口径空间望远镜的镜面由子镜拼接构成，则所述静态误差还包括镜面拼接误差。
5.根据权利要求4所述的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法，其特征在于，基于所述静态误差像质仿真模型计算所述大口径空间望远镜的静态像质，具体包括：
对应所述静态误差分别建立静态误差模型，其中所述静态误差模型采用大口径空间望远镜的镜面形状变化参数和镜面位置变化参数表征所述静态误差；
以大口径空间望远镜的初始光学设计系统作为所述动态像质仿真模型依次加载所述静态误差模型；
基于光线追迹原理计算得到所述静态误差引起所述空间望远镜的静态像质。
6.一种动态像质仿真系统，其特征在于，包括：
误差评估模块，用于评估大口径空间望远镜在轨工作状态下存在的静态误差和动态误差；
静态像质计算模块，用于动态像质仿真模型基于所述静态误差计算所述大口径空间望远镜的静态像质；
动态像质计算模块，用于在所述静态误差的基础上在所述动态像质仿真模型加载动态误差，计算所述大口径空间望远镜的第一动态像质；具体包括：
对应所述动态误差分别建立动态误差模型，所述动态误差包括电机抖动引起的视轴抖动误差和快摆镜补偿像移残差，并且所述动态误差模型采用大口径空间望远镜的镜面位置变化参数表征所述动态误差；
将第一观测时刻的各动态误差模型加载至已加载所述静态误差模型的动态像质仿真模型；
基于光线追迹原理计算所述大口径空间望远镜在所述第一观测时刻的观测视场的点扩散函数PSF和PSF在所述大口径空间望远镜的光学系统中的成像像面的位置坐标；
根据所述大口径空间望远镜配套探测器的光电截止频率计算动态采样间隔时长，并自所述第一观测时刻间隔所述动态采样间隔时长设定第二观测时刻，…，第n观测时刻；
依次计算所述动态采样间隔时长中所述第一观测时刻之外其余观测时刻在同一所述观测视场下的PSF和PSF在像面的位置坐标；
以所述第一观测时刻的所述观测视场的点扩散函数PSF为基底，依次叠加所述其余观测时刻在同一观测视场下的PSF，计算得到所述第一动态像质；其中，
首先，将第一观测时刻各镜面的位置参数加载至作为动态像质仿真模型的大口径空间望远镜的初始光学系统，通过光线追迹原理可以计算所述观测视场的PSF及PSF在大口径空间望远镜的光学成像系统中的成像像面的位置坐标；获取的静态点扩散函数包含图形和质心位置两部分信息；采用右手坐标系计算静态点扩散函数质心到图形中心的位置坐标(x1,y1)；然后计算每一观测时刻下各视场静态点扩散函数的图形位置，通过光线追迹上述观测视场的主光线，可以计算获取静态点扩散函数图形中心在大口径空间望远镜的光学系统中的成像像面处的位置坐标(X1,Y1)；采用线性叠加法计算各观测视场动态点扩散函数：通过计算可得，上述观测视场的第2观测时刻下静态点扩散函数的质心在像面处的位置坐标为(X1+ x1,Y1+ y1)，同时已知该静态点扩散函数的图形信息，依次计算每一观测时刻该观测视场静态点扩散函数图形和质心位置坐标；以第一观测时刻静态点扩散函数的信息为基底，依次叠加n个观测时刻下采样间隔时长τ毫秒的静态像质，计算得到该观测视场nτ毫秒采样间隔时长的动态点扩散函数，用于分析动态像质。
7.根据权利要求6所述的大口径空间望远镜动态像质仿真系统，其特征在于，所述系统还包括：
成像质量评估模块，用于根据所述动态像质评估出所述大口径空间望远镜的成像质量不满足预定指标；
设计结构优化模块，用于优化所述大口径空间望远镜的原设计结构，得到优化设计结构。
8.根据权利要求7所述的大口径空间望远镜动态像质仿真系统，其特征在于，所述系统还包括像质优化判断模块，在所述动态像质计算模块计算优化后的所述大口径空间望远镜的第二动态像质后，所述像质优化判断模块用于基于所述第一动态像质和所述第二动态像质判断所述优化设计结构是否有效。
9.一种存储介质，其特征在于，用于计算机可读存储，所述存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行时，实现如根据权利要求1至5中任一项所述的大口径空间望远镜动态像质仿真计算方法。
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