拼接式反射镜的面形精度分析方法、装置、设备

1.本发明涉及空间光学遥感器技术领域，具体提供一种拼接式反射镜的面形精度分析方法、装置、设备及计算机可读介质。


背景技术：

2.随着遥感观测需求的增加，对遥感相机也提出了更高的要求，空间光学遥感器不仅要具有较高的分辨率、较大的视场，因此，大口径、长焦距是空间光学遥感器的一个重要发展方向。传统空间光学系统在材料、结构、制造和运载其运载能力、发射体积等方面存在严重的制约，难以满足人类对于更高分辨率和更大口径的需求。
3.为了突破上述限制，国内外学者提出了在轨组装和在轨展开两种技术方案，即通过多次发射或主光机折叠状态发射，将空间飞行器送入预定轨道，完成各模块的在轨组装或展开，最终经在轨调试达到使用状态。而分块拼接主镜是实现在轨组装、在轨展开的一个主要技术特征。分块拼接式主镜是指把主反射镜设计成多个子镜组件，经过主动调校，拼接为一个完整的镜面。因此，分块拼接式反射镜是空间光学系统的重要发展方向，具有较为重要的工程实用意义。
4.反射镜作为空间光学遥感器中最为关键的零部件，其在各工况下的面形误差有着极为严格的要求。因此，对反射镜进行面形精度分析是十分必要的。


技术实现要素：

5.本发明为解决上述问题，提供一种全新技术路径的，用于分块拼接式反射镜的面形精度分析方法。
6.本发明提供一种拼接式反射镜的面形精度分析方法，所述面形精度分析方法包括步骤：
7.s1、确定拼接式反射镜的基本参数及设计指标；所述拼接式反射镜包括子镜，所述子镜的数量不少于两个；
8.s2、获取所述子镜的全部节点位移，识别位于所述子镜上的镜面节点编号i，并提取所述节点编号i对应的初始节点位移和节点坐标；
9.s3、将所述节点编号i、所述初始节点位移和所述节点坐标输入面形拟合软件，得到所述子镜的刚体位移；所述刚体位移包括平动刚体位移和转动刚体位移；
10.s4、通过齐次坐标变换消除所述子镜的刚体位移，得到所述节点编号i对应的校正节点位移；
11.s5、重复迭代步骤s3和步骤s4，直至所述平动刚体位移小于10-3
nm，所述转动刚体位移小于10-6
rad，获得所述节点编号i对应的最终校正节点位移；
12.s6、将所述节点编号i、所述最终校正节点位移和所述节点坐标输入面形拟合软件，求解所述校正节点位移的均方根值，从而表征所述拼接式反射镜的面形精度。
13.优选的，所述基本参数包括所述子镜的数量、所述拼接式反射镜的构型、所述拼接
式反射镜的口径。
14.优选的，所述获取所述子镜的全部节点位移，通过有限单元法工程分析在具体工况下各个所述子镜的响应得到。
15.优选的，所述步骤s4中，通过齐次坐标变换消除所述子镜的刚体位移，得到所述节点编号i对应的校正节点位移的计算公式为：
[0016][0017]
其中，xi,yi,zi分别为所述节点编号i在x轴方向，y轴方向，z轴方向的坐标值；d
xi
,d
yi,
,d
zi
分别为所述节点编号i在x方向、y方向和z方向的初始节点位移；d’xi
,d’yi,
,d’zi
分别为消除所述子镜的刚体位移后，所述节点编号i在x轴方向、y方向和z方向的最终校正节点位移；trans,rotx,roty,rotz分别为所述子镜平动、绕x轴方向、y轴方向、z轴方向旋转的齐次坐标变换矩阵。
[0018]
优选的，所述子镜平动的齐次坐标变换矩阵为：
[0019][0020]
其中，t
xj
,t
yj
,t
zj
分别代表编号j的子镜在全局坐标系下x轴，y轴，z轴三个方向上的刚体平动位移。
[0021]
优选的，所述子镜绕x轴方向旋转的齐次坐标变换矩阵为：
[0022][0023]
所述子镜绕y轴方向旋转的齐次坐标变换矩阵为：
[0024][0025]
所述子镜绕z轴方向旋转的齐次坐标变换矩阵为：
[0026][0027]
其中，r
xj
,r
yj
,r
zj
分别代表编号j的子镜在全局坐标系下绕x轴，y轴，z轴三个方向
上的刚体旋转位移。
[0028]
本发明还提供一种拼接式反射镜的面形精度分析装置，所述面形精度分析装置包括：
[0029]
参数确定模块，用于预先确定拼接式反射镜的基本参数及设计指标；拼接式反射镜包括子镜，所述基本参数包括子镜的数量；
[0030]
节点信息获取模块，用于获取子镜的全部节点位移，识别位于所述子镜上的镜面节点编号i，并提取所述节点编号i对应的初始节点位移和节点坐标；
[0031]
位移计算模块，用于通过所述节点编号i、所述初始节点位移和所述节点坐标，计算得到所述子镜的刚体位移；并通过齐次坐标变换消除所述子镜的刚体位移，得到所述节点编号i对应的校正节点位移；
[0032]
校正优化模块，用于重复迭代位移计算模块的计算过程，直至所述平动刚体位移小于10-3
nm，所述转动刚体位移小于10-6
rad，获得所述节点编号i对应的最终校正节点位移；
[0033]
面形精度分析模块，用于通过所述节点编号i、所述最终校正节点位移和所述节点坐标，求解所述最终校正节点位移的均方根值，实现对所述拼接式反射镜的面形精度的分析。
[0034]
本发明还提供一种拼接式反射镜的面形精度分析设备，包括处理器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现如上述拼接式反射镜的面形精度分析方法的步骤。
[0035]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有拼接式反射镜的面形精度分析程序，所述拼接式反射镜的面形精度分析程序被处理器执行时实现上述拼接式反射镜的面形精度分析方法的步骤。
[0036]
本发明所提供的拼接式反射镜的面形精度分析方法，在面形分析中排除各工况下子镜的刚体位移对面形的影响，具体根据有限元分析结果，拟合子镜的刚体位移，结合齐次坐标变换消除子镜各自的刚体位移，为分块拼接式反射镜的面形分析提供一种全新的技术路径。本发明提供的拼接式反射镜的面形精度分析方法，可广泛适用于不同口径、不同构型的拼接式反射镜。
附图说明
[0037]
图1是本发明具体实施方式的拼接式反射镜的面形精度分析方法的流程图。
[0038]
图2是本发明具体实施方式的拼接式反射镜的构型图。
[0039]
图3是本发明具体实施方式的拼接式反射镜的工程分析节点位移云图。
[0040]
图4是本发明具体实施方式的拼接式反射镜的面形精度分析结果图。
具体实施方式
[0041]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
[0042]
如图1所示，本发明具体实施方式中，提供一种拼接式反射镜的面形精度分析方
法，分析方法包括确定拼接式反射镜的基本参数，然后进行工程分析，提取镜面上的节点编号、节点位移以及节点坐标；求解子镜1光学表面的刚体位移，求解子镜j光学表面的刚体位移，直至求解子镜n光学表面的刚体位移；若符合指标要求，则求解拼接式反射镜的镜面面形精度；若不符合指标要求，则进行子镜1镜面节点位移校正，子镜j镜面节点位移校正，直至子镜n镜面节点位移校正，重复迭代位移校正过程，直至求解刚体位移符合指标要求，则求解拼接式反射镜的镜面面形精度。
[0043]
具体的，所述面形精度分析方法包括步骤：
[0044]
s1、确定拼接式反射镜的基本参数及设计指标；所述拼接式反射镜包括子镜，所述子镜的数量不少于两个；
[0045]
在该具体实施方式中，所述基本参数包括所述子镜的数量、所述拼接式反射镜的构型、所述拼接式反射镜的口径；所示设计指标包括拼接式反射镜的组件重量、各极端工况下的面形精度等要求，可根据具体情况分别确定。
[0046]
s2、获取所述子镜的全部节点位移，识别位于所述子镜上的镜面节点编号i，并提取所述节点编号i对应的初始节点位移和节点坐标。
[0047]
具体的，通过有限单元法工程分析在具体工况下各子镜的响应，得到子镜节点位移，具体工况是指拼接式反射镜工作时所涉及的任一工况，例如：重力工况、温度变化工况等等，拼接式反射镜的所有工况均可作为分析的输入。识别并提取位于镜面上的节点编号i、初始节点位移(d
xi
,d
yi
,d
zi
)、节点坐标(xi,yi,zi)。其中，i为镜面节点编号，d
xi
,d
yi
,d
zi
分别代表节点i全局坐标系下的x轴方向，y轴方向，z轴方向的初始节点位移，xi,yi,zi分别为节点i在x轴方向，y轴方向，z轴方向的坐标值，即节点i的全局坐标值。
[0048]
在该具体实施方式中，分块拼接式反射镜具体由四个扇形子镜拼接而成，结构形式如图2所示。分块拼接式反射镜的面形精度优于12nm，拼接反射镜的面形精度的均方根值(rms)应优于λ/50(λ＝632.8nm)；以拼接式反射镜的径向重力作为工况，应用patran/nastran软件开展工程分析，识别并提取各子镜镜面91220个节点的节点编号i、初始节点位移(d
xi
,d
yi
,d
zi
)、节点坐标(xi,yi,zi)，具体的，四个子镜的镜面节点位移云图如图3所示，从图中可以看出，四个子镜各自的刚体位移引起反射镜面形的退化，而这一部分刚体位移在实际工程中可通过子镜背部位姿促动器加以补偿和消除；因此，传统分析过程无法反映拼接式反射镜的真实面形。
[0049]
s3、将所述节点编号i、所述初始节点位移(d
xi
,d
yi
,d
zi
)和所述节点坐标(xi,yi,zi)输入面形拟合软件，得到所述子镜的刚体位移(t
xj
,t
yj
,t
zj
,r
xj
,r
yj
,r
zj
)；所述刚体位移包括平动刚体位移和转动刚体位移；t
xj
,t
yj
,t
zj
分别代表编号j的子镜在全局坐标系下x轴，y轴，z轴三个方向上的刚体平动位移，r
xj
,r
yj
,r
zj
分别代表编号j的子镜在全局坐标系下x轴，y轴，z轴三个方向上的刚体旋转位移。
[0050]
在该具体实施方式中，将四个子镜镜面的初始节点位移(d
xi
,d
yi
,d
zi
)、节点坐标(xi,yi,zi)分别输入到面形拟合软件，求解得到子镜光学表面的刚体位移(t
xj
,t
yj
,t
zj
,r
xj
,r
yj
,r
zj
)，具体如表1中所示：
[0051]
表1子镜刚体位移数据
[0052][0053][0054]
s4、通过齐次坐标变换消除所述子镜的刚体位移，得到所述节点编号i对应的校正节点位移。具体的，通过进行多次迭代，消除数值计算的误差，最终得到的校正后的节点位移(d’xi
,d’yi,
,d’zi
)；
[0055]
在该具体实施方式中，通过步骤s3中得到的四个子镜镜面刚体位移数据，校正镜面节点位移。
[0056]
具体的，通过齐次坐标变换消除所述子镜的刚体位移，得到所述节点编号i对应的校正节点位移的计算公式为：
[0057][0058]
其中，d
xi
,d
yi,
,d
zi
分别为所述节点编号i在x方向、y方向和z方向的初始节点位移；d’xi
,d’yi,
,d’zi
分别为消除所述子镜的刚体位移后，所述节点编号i在x轴方向、y方向和z方向的最终校正节点位移；trans,rotx,roty,rotz分别为所述子镜平动、绕x轴方向、y轴方向、z轴方向旋转的齐次坐标变换矩阵。
[0059]
所述子镜平动的齐次坐标变换矩阵为：
[0060][0061]
其中，t
xj
,t
yj
,t
zj
分别代表编号j的子镜在全局坐标系下x轴，y轴，z轴三个方向上的刚体平动位移。
[0062]
所述子镜绕x轴方向旋转的齐次坐标变换矩阵为：
[0063]
[0064]
所述子镜绕y轴方向旋转的齐次坐标变换矩阵为：
[0065][0066]
所述子镜绕z轴方向旋转的齐次坐标变换矩阵为：
[0067][0068]
其中，r
xj
,r
yj
,r
zj
分别代表编号j的子镜在全局坐标系下绕x轴，y轴，z轴三个方向上的刚体旋转位移。
[0069]
s5、重复迭代步骤s3和步骤s4，直至所述平动刚体位移t
xj
,t
yj
,t
zj
小于10-3
nm，所述转动刚体位移r
xj
,r
yj
,r
zj
小于10-6
rad，获得所述节点编号i对应的最终校正节点位移；最大限度排除子镜刚体位移对拼接式反射镜面形精度分析结果的影响。
[0070]
在该具体实施方式中，经两次迭代后，子镜的刚体位移校正到一个较低的水平，其校正结果如表1所示，各项位移指标均符合面形精度分析要求。
[0071]
s6、将所述节点编号i、所述最终校正节点位移(d’xi
,d’yi,
,d’zi
)和所述节点坐标(xi,yi,zi)输入面形拟合软件，求解最终校正节点位移的均方根值(rms)，从而表征所述拼接式反射镜的面形精度。
[0072]
在该具体实施方式中，经面形拟合软件分析，分块拼接反射镜的面形精度的rms值最终结果为3.857nm，镜面变形云图即分析得到的拼接式反射镜的面形精度分析结果如图4所示，通过图4与图3的对比可以看出，去除各个子镜的刚体位移后，所反映的是拼接式反射镜的真是面形，拼接反射镜面形的面形精度大幅提高。
[0073]
本发明所提供的拼接式反射镜的面形精度分析方法，在面形分析中排除各工况下子镜的刚体位移对面形的影响，具体根据有限元分析结果，拟合子镜的刚体位移，结合齐次坐标变换消除子镜各自的刚体位移，为分块拼接式反射镜的面形分析提供一种全新的技术路径。本发明提供的拼接式反射镜的面形精度分析方法，可广泛适用于不同口径、不同构型的拼接式反射镜。
[0074]
具体实施方式中，本发明还提供一种拼接式反射镜的面形精度分析装置，所述面形精度分析装置包括：
[0075]
参数确定模块，用于预先确定拼接式反射镜的基本参数及设计指标；拼接式反射镜包括子镜，所述基本参数包括子镜的数量；
[0076]
节点信息获取模块，用于获取子镜的全部节点位移，识别位于所述子镜上的镜面节点编号i，并提取所述节点编号i对应的初始节点位移和节点坐标；
[0077]
位移计算模块，用于通过所述节点编号i、所述初始节点位移和所述节点坐标，计算得到所述子镜的刚体位移；并通过齐次坐标变换消除所述子镜的刚体位移，得到所述节点编号i对应的校正节点位移；
[0078]
校正优化模块，用于重复迭代位移计算模块的计算过程，直至所述平动刚体位移小于10-3
nm，所述转动刚体位移小于10-6
rad，获得所述节点编号i对应的最终校正节点位移；
[0079]
面形精度分析模块，用于通过所述节点编号i、所述最终校正节点位移和所述节点坐标，求解所述最终校正节点位移的均方根值，实现对所述拼接式反射镜的面形精度的分析。
[0080]
本发明具体实施方式中所述拼接式反射镜的面形精度分析装置的各功能模块的功能可根据上述方法实施方式中的方法具体实现，其具体实现过程可以参照上述方法实施方式的相关描述，此处不再赘述。
[0081]
本发明还提供一种拼接式反射镜的面形精度分析设备，包括存储器，用于存储计算机程序；处理器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现如上述拼接式反射镜的面形精度分析方法的步骤。
[0082]
本发明具体实施方式中所述拼接式反射镜的面形精度分析设备的各功能模块的功能可根据上述方法实施方式中的方法具体实现，其具体实现过程可以参照上述方法实施方式的相关描述，此处不再赘述。
[0083]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有拼接式反射镜的面形精度分析程序，所述拼接式反射镜的面形精度分析程序被处理器执行时实现上述拼接式反射镜的面形精度分析方法的步骤。
[0084]
本发明具体实施方式中所述计算机可读存储介质的各功能模块的功能可根据上述方法实施方式中的方法具体实现，其具体实现过程可以参照上述方法实施方式的相关描述，此处不再赘述。
[0085]
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。
[0086]
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。