航天相机光学系统全链路动态像质数值仿真系统及方法与流程

本发明涉及光电成像技术领域，具体涉及一种航天相机光学系统全链路动态像质数值仿真系统及方法。

背景技术：

航天相机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，客户对航天相机的成像视场和分辨能力的要求不断提高，也要求研制方在保证设备品质的同时尽可能缩短研制周期。航天相机全链路数值仿真方法基于在轨成像物理机制对相机成像质量进行计算，可用于分析各成像环节对像质的影响。首先，集成链路中各端模块；然后采用仿真方法计算全链路光学系统像质；根据计算结果分析光机电热等多种因素对相机成像质量的影响。相比实验制备测试分析，准确的仿真可有效缩短在轨相机研制周期，大幅度降低制作成本。通常，在轨相机受模块振动及自身调整机构的影响，工作在微振动环境状态下进行，因此，需计算动态像质评价在轨相机成像质量。

技术实现要素：

本发明为解决现有在轨相机像质制约因素复杂难以单一评价的问题，提供一种航天相机光学系统全链路动态像质数值仿真系统及仿真方法。

航天相机光学系统全链路动态像质数值仿真系统，包括光学仿真模块、结构仿真模块、热仿真模块和动态仿真模块；

所述热仿真模块用于模拟相机系统工作环境下温度场分布，并计算相机组件因环境变化引起的结构变形量；

结构仿真模块用于模拟相机系统在轨重力变化引起的结构变形量；

所述动态仿真模块用于计算相机在系统结构振动和姿态校正运动工作状态下各时刻结构变形量；

所述光学仿真模块根据热仿真模块、结构仿真模块和动态仿真模块获得的结果，模拟光学系统各组件加工面形和最终像质计算。

航天相机光学系统全链路动态像质数值仿真方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、根据用户指标要求，设计相机初始系统结构，采用光学仿真模块优化光学参数，完成初始光学设计；

步骤二、将航天相机工作状态下的各项误差模型分为静态误差和动态误差；所述静态误差包括初始设计误差、镜面加工制造面形误差、在轨重力环境变化误差、装调误差和热环境变化误差；并将所述热环境变化误差作为静态误差加载至仿真系统；

步骤三、建立光学仿真模块、结构仿真模块和热仿真模块之间的接口，实现数据互联；将热环境变化和重力环境变化引起的结构变形量加载至光学仿真模块中，并设置各组件加工面形，计算获取仿真系统各视场静态点扩散函数值；

步骤四、将动态误差加入至仿真系统，即将各组件面形和结构变形量随时间变化关系加载至动态仿真模块中，计算获取仿真系统各视场动态点扩散函数值；

步骤五、调整全链路系统各模块的设计参数，分析所述设计参数对在轨相机成像质量的影响，并判断影响像质的关键参数；

步骤六、若像质仿真分析结果满足用户指标要求，则认为设计参数合理；若分析结果超出用户指标要求，则调整影响像质的关键参数并优化系统，使系统成像质量满足用户需求；最终获得在轨航天相机输出图像仿真计算结果。

本发明的有益效果：本发明所述的基于在轨成像物理机制的航天相机光学系统全链路动态像质数值仿真方法，为分析系统成像指标提供理论支持，根据计算结果，分析影响抑制在轨相机成像质量的关键因素，优化对应模块设计参数进一步提高动态成像质量；同时，为系统优化升级提供理论支持，相比单一部件改良，优化系统结构的分析方式更加高效、可靠。

一、本发明采用全链路动态像质仿真分析的方法可以实现光机电热等多因素集成后，综合对系统像质进行评价，便于分析寻找影响像质的关键设计参数，避免了因在轨相机像质制约因素复杂难以单一评价的困难。

二、本发明所述的方法根据全链路动态像质仿真分析结果，可对系统结构进行优化改良。在保证系统成像质量的前提下改善设计参数、更换系统模块，便于满足客户对在轨相机的不同应用需求。在保证系统成像质量的前提下，优化系统结构，实现在轨相机改良升级。

三、本发明所述的方法相比传统全物理硬件模拟方法，借助仿真软件对系统像质进行分析，进一步提升分析准确度，缩短了系统研制周期，有效降低制作成本，提升相机成像水平。

附图说明

图1为本发明所述的航天相机光学系统全链路动态像质数值仿真系统原理框图；

图2为本发明所述的航天相机光学系统全链路动态像质数值仿真方法的流程图；

图3为本发明所述的航天相机光学系统全链路动态像质数值仿真系统初始设计结果；

图4为本发明所述的航天相机光学系统全链路动态像质数值仿真系统中重力环境变化面形误差效果图；

图5为本发明所述的航天相机光学系统全链路动态像质数值仿真系统中热环境变化面形误差效果图；

图6为本发明所述的航天相机光学系统全链路动态像质数值仿真系统中加工面形误差效果图；

图7为静态点扩散函数归一化强度分布的立体图；

图8为静态点扩散函数归一化强度分布的俯视图；

图9为动态点扩散函数归一化强度分布的立体图；

图10为动态点扩散函数归一化强度分布的俯视图；

图11为本发明所述的航天相机光学系统全链路动态像质数值仿真系统的仿真输入图；

图12为本发明所述的航天相机光学系统全链路动态像质数值仿真系统的仿真输出图；

图13为本发明所述的航天相机光学系统全链路动态像质数值仿真系统的降低加工面形误差输出图；

图14为本发明所述的航天相机光学系统全链路动态像质数值仿真系统的降低系统结构振动误差输出图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，航天相机光学系统全链路动态像质数值仿真系统，包括热仿真模块、结构仿真模块、动态仿真模块和光学仿真模块四部分；所述热仿真模块用于模拟相机系统工作环境下温度场分布，并计算相机组件因环境变化引起的结构变形量；结构仿真模块用于模拟相机系统在轨重力变化引起的结构变形量；所述动态仿真模块用于计算相机在系统结构振动和姿态校正运动工作状态下各时刻结构变形量；

将所述热仿真模块、结构仿真模块和动态仿真模块计算结果带入至光学仿真模块求解系统动态像质。

具体实施方式二、结合图2至图14说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的航天相机光学系统全链路动态像质数值仿真系统的仿真方法，该方法由以下步骤实现：

(1)根据用户指标要求，设计相机初始系统结构，在光学系统模块优化光学参数，完成初始光学设计。以离轴三反系统为例，如图3所示，远处平行光线经主镜、次镜和三镜后在探测像面成像；

(2)将在轨相机工作状态下的各项误差模型分为静态误差和动态误差。其中，以主镜为例，静态误差主要包括初始设计误差、镜面加工制造面形误差、在轨重力环境变化误差、装调误差和热环境变化误差五项，如图4-6所示；由于短期内在轨相机温度场分布稳定，将热环境变化误差作为静态误差加载至仿真系统。

(3)建立光学仿真模块、结构仿真模块和热仿真模块间的接口，实现数据互联。将静态误差加入至仿真系统，即将热和重力环境变化引起的结构变形量加载至光学仿真模块中，并设置各组件加工面形，计算获取仿真系统各视场静态点扩散函数值，如图7-8所示；

(4)将动态误差模型加入至仿真系统，即系统各组件面形和结构变形量随时间变化关系加载至动态仿真模块中，计算获取系统各视场动态点扩散函数值，如图9-10所示；

(5)调整全链路系统子模块各项设计参数，分析各参数对在轨相机成像质量的影响，并判断影响像质的关键参数。

(6)将图11所示的输入端图像与仿真计算得到的光学系统动态点扩散函数进行卷积运算，最终获取光学系统仿真输出图像，如图12所示；优化加工面形误差和系统结构振动误差，提升在轨相机光学系统像质，如图13-14所示。

具体实施方式三、本实施方式为具体实施方式二所述的航天相机光学系统全链路动态像质数值仿真方法的实例：具体步骤如下：

步骤一、完成初始光学设计；

根据用户对相机使用功能的需求，完成系统初始结构设计，分配光学、机械、电学等参数指标；随后优化相机初始光学系统，使系统各项初始设计参数满足指标要求。本实施例以离轴三反系统为例进行说明，无穷远处平行光经系统主镜、次镜和三镜后在探测焦面成像。

步骤二、建立误差模型；

分析建立在实际加工制作和被投入使用过程中相机产生的各项误差模型，模拟实际参数与初始设计值的偏差。根据各项误差的变化情况，将模型分为静态和动态两种。其中，静态误差主要包括初始设计误差、镜面加工制造面形误差、在轨重力环境变化误差、装调误差和热环境变化误差；动态误差主要包括系统结构振动误差和姿态校正运动误差。各项静态误差可分为失调量误差和面形误差两类。其中，失调量误差表示由热环境变化、重力环境变化和装调等因素引起的各组件实际位置与理想位置间的偏差；面形误差表示由热环境变化、重力环境变化和组件实际加工因素引起的各反射镜实际面形与理想面形间的偏差。失调量误差由有限元仿真获得，具体参数包括系统组件尺寸、密度、弹性模量、导热系数以及工作环境温度等。热环境变化和重力环境变化引起的面形误差可以由有限元仿真获得，加工面形误差通过matlab模拟获得。具体计算过程如下：

通常采用功率谱密度函数分析光学表面质量，本实施方式采用高斯分布计算方法模拟光学表面频段分布误差。表面相关函数与功率谱密度傅里叶变换关系如下：

其中，c(x，y)为表面相关函数；psd(kx，ky)为功率谱密度函数。以中频误差为例，psd函数为：

其中，lx、ly为x和y方向上的相关长度，σ为均方根值。求解表面相关函数得，

然后，构建含有中频误差的加工面形。第一步，通过matlab程序构建高斯分布的随机数矩阵t(x，y)；第二步，构建二维数字滤波器函数f(x，y)，将滤波器函数与高斯分布数值矩阵卷积获取满足统计特征的中频误差分布，

其中，滤波器函数f(x，y)与表面相关函数c(x，y)满足傅里叶变换关系，

{f[f(x,y)]}²＝f[c(x,y)]

此处假设x和y方向上的相关长度均为lc，求解中频滤波器函数得，

根据需要,选取σ和lc模拟的中频误差面形。

步骤三、加载静态误差；将静态误差模型加入至系统，计算获取系统各视场静态点扩散函数值。

步骤四、加载动态误差；将动态误差模型加入至系统，计算获取系统各视场单一时刻下动态点扩散函数值，即获取系统各视场准动态点扩散函数值。

系统结构振动误差与姿态校正运动误差模型采用有限元分析计算得到，通过计算在轨相机结构组件在各时刻下的位置参数后，再进行动态累积获得。

步骤五、准动态点扩散函数值线性叠加；

在轨相机需要完成对无穷远点物的成像功能，这里可以把物的光强分布函数看作是一系列δ函数的线性叠加，而每一个δ函数都代表一个点物的光强分布。如果定义这些δ函数通过系统在像面上产生的输出函数为点扩散函数，即点物产生的像斑的光强分布函数，那么物体像的光强分布函数就是这些点扩散函数的线性叠加。因此，一段时间内的全视场点扩散函数，即动态点扩散函数可通过叠加不同时刻下准动态点扩散函数求得。

步骤六、分析影响像质的关键参数；

建立完整分析模型后，通过调整各模型参数，分析相机动态像质的变化情况，寻找影响像质的关键因素。若动态像质的最终仿真结果超出用户指标要求，则调整影响像质的关键系统设计参数并优化系统，使系统成像质量满足要求。

步骤七、获取在轨航天输出图像仿真计算结果；

将获取的动态点扩散函数与输入图像卷积，获取最终仿真输出图像。已知计算公式：

i(x,y)＝i0(x,y)*hi(x,y)

其中，i(x，y)和i0(x，y)分别表示像点和物点的光强分布；hi(x，y)表示动态点扩散函数。

步骤八、根据计算结果分析影响像质的主要因素；根据计算结果可知，实例中影响像质的主要因素为加工面形误差与系统结构振动误差两项。分别优化两项误差，提升在轨相机像质。