專利名稱：基于int文件的光機集成分析方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于int文件的光機集成分析方法，具體地說，是指先 將光學系統(tǒng)的有限元分析結(jié)果數(shù)據(jù)進行坐標變換和插補，再利用int文件作 為光學和機械分析的數(shù)據(jù)接口，進行光機集成分析的方法。
背景技術：
空間光學遙感儀器的工作環(huán)境非常惡劣，在重力釋放、動力學載荷和 熱載荷的作用下，光學元件受組件變形的影響將有整體相對位移，同時光 學面形會產(chǎn)生畸變，從而使光學系統(tǒng)產(chǎn)生波前畸變，影響系統(tǒng)的光學性能。 因此必須對光學遙感儀器進行光機集成分析，以便有針對性地改進遙感儀 器'的設計，提高光學遙感儀器的光學性能。
光機集成分析通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口將光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有限元分析和光學 分析集成一體，從而實現(xiàn)對光學系統(tǒng)在外載荷作用下光學性能的評估。各 領域分析軟件之間數(shù)據(jù)的有效傳遞和處理是整個光機集成分析技術的關 鍵。
一般采用Zemike多項式作為機械和光學分析之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口 ，而 Zemike多項式擬合算法復雜，擬合結(jié)果不穩(wěn)定，并且只適用于圓形鏡面的 數(shù)據(jù)擬合，對于目前空間光學遙感儀器中常用的體育場形鏡面進行擬合時 就會產(chǎn)生較大的誤差。
而利用int文件作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口進行光機集成分析，可以克服采用 Zemike多項式作為光機分析的數(shù)據(jù)接口帶來的限制。int文件對光學系統(tǒng)有 限元分析結(jié)果的鏡面變形矢高進行一定的變換直接可以導入光學設計、分
析軟件，不存在數(shù)據(jù)擬合過程，因此不會引入擬合誤差；而且，利用int 文件作為光機集成分析的數(shù)據(jù)接口可以對任意形狀的鏡面進行數(shù)據(jù)變換， 通用性比Zemike多項式要好。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于int文件對任意形狀的光學鏡面有限 元分析結(jié)果進行處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口和光機集成分析。
本發(fā)明的設計方案如下
一種基于int文件的空間光學遙感儀器光機集成分析方法，特點是包 括對任意形狀的光學鏡面有限元分析結(jié)果數(shù)據(jù)進行坐標變換處理；以及基 于int文件的光機錄據(jù)接口，該數(shù)據(jù)接口將經(jīng)過坐標變換處理的光學鏡面有 限元分析結(jié)果數(shù)據(jù)導入到光學設計以及分析軟件；用以實現(xiàn)空間光學遙感 儀器的光機集成分析。
該對光學鏡面有限元分析結(jié)果數(shù)據(jù)進行坐標變換處理的方法包括
進一步，有限元分析結(jié)果數(shù)據(jù)中節(jié)點Z向位移到平行于鏡面光軸方向 位移的變換方法；將任意形狀的光學鏡面有限元分析結(jié)果數(shù)據(jù)XY平面的 分布變換到以光學設計軟件中鏡面母鏡中心為坐標原點的坐標系中；將變 換后的鏡面面形數(shù)據(jù)量化成面形數(shù)據(jù)分布矩陣；
具體地，該將有限元分析結(jié)果數(shù)據(jù)中節(jié)點Z向位移到平行于鏡面光軸 方向位移的變換方法基于坐標系分解和微小位移的近似計算方法；將任意 形狀的光學鏡面有限元分析結(jié)果數(shù)據(jù)XY平面的分布變換到以光學設計軟 件中鏡面母鏡中心為坐標原點的坐標系中的方法根據(jù)坐標系特點進行坐標 線性變換并插補到整個母鏡鏡面范圍，利用在無效數(shù)據(jù)點處做特殊標記的 方法來實現(xiàn)；將變換后的鏡面面形數(shù)據(jù)量化成面形數(shù)據(jù)分布矩陣采用區(qū)間 匹配的方法；
可取地，該光機集成分析技術中有限元分析采用PATRAN有限元分析 軟件進行空間遙感儀器的力學、熱學分析；光學設計、分析軟件采用Code V光學軟件。
該基于int文件的光機數(shù)據(jù)接口包括int文件頭，其中包含文件名稱、 鏡面面形分布的坐標范圍、轉(zhuǎn)換波長、量化比例以及無效數(shù)據(jù)標記值；fe 定格'式的鏡面面形分布數(shù)據(jù)；
具體地，該int文件中特定格式的鏡面面形分布數(shù)據(jù)以十個數(shù)據(jù)點為一 行，最后一行小于或等于十個數(shù)據(jù)點。
本發(fā)明的優(yōu)點是對光學鏡面有限元分析結(jié)果數(shù)據(jù)進行坐標變換處理 可以對任意形狀的鏡面面形數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換處理，彌補了 Zemike多項式作為 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口只能在圓域上進行的不足；利用int文件作為光機集成分析數(shù) 據(jù)接口的無數(shù)據(jù)擬合過程，因而，避免了數(shù)據(jù)擬合過程引入的面形分布誤 差，同時，也簡化了計算的復雜度。


圖1為本發(fā)明的基于int文件的光機集成分析方法流程示意圖。圖中 結(jié)構(gòu)分析采PATRAN有限元分析軟件進行，光學分析部分采用Code V光 學設計、分析軟件進行；
圖2為將有限元分析結(jié)果數(shù)據(jù)中節(jié)點Z向位移變換到平行于鏡面光軸
方向位移的算法原理示意圖3為結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果數(shù)據(jù)坐標系變換方法示意圖4為利用區(qū)間匹配法進行結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果數(shù)據(jù)矩陣化的過程示意圖。
具體實施例方式
下面根據(jù)圖l-圖4給出本發(fā)明一個實施例，并對某空間遙感儀器的操
場形主鏡進行光機集成分析，對光學系統(tǒng)在外載荷作用下光學性能進行評 估，得到以下結(jié)果
某空間遙感儀器的操場形主鏡外形為操場形狀，長軸方向為860mm， 短軸方向為640mm，離軸量為321mm，在某種支撐結(jié)構(gòu)作用下當鏡面面形 變化在均方根值為0.1義(義二632.8nm)時，對空間遙感儀器像質(zhì)影響為 系統(tǒng)MTF下降為設計理想值的95% 。
請參閱圖l，如圖所示，本發(fā)明的基于int文件的光機集成分析方法， 主要流程依次由結(jié)構(gòu)分析l、變形位移分解變換2、坐標系插補變換3、面 形數(shù)據(jù)量化矩陣化4、根據(jù)特定格式寫入int文件5和光學分析6，實施對 光機綜合性能評價之后，判斷是否滿足要求？如果滿足要求，程序結(jié)束， 否則，執(zhí)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化7，之后，返回結(jié)構(gòu)分析l，重新運行光機綜合性能評 價。
變形位移分解變換2的具體實施如圖2所示圖2中該主鏡有限元結(jié) 構(gòu)分析結(jié)果中原始表面點AO到變形后表面點B的距離AOB是AO點在垂 度方向上的位移，實際上AO點變形后移到Al點。B點則是有限元模型中 節(jié)點間的一個虛位點，由于鏡面變形為微小位移，可以通過計算AOC值近 似代替AOB值
<formula>formula see original document page 6</formula> (3)
式中P是AO點在鏡面原始表面上的斜率，其值可通過原始表面的垂度 方程計算。 一般地，有限元結(jié)構(gòu)分析得到鏡面節(jié)點的變形位移向量為(dx， dy， dz)公式3可以簡化為
<formula>formula see original document page 6</formula> (4)
經(jīng)過變換的鏡面面形變形后鏡面數(shù)據(jù)在光軸方向上的值為ZO+AOB。
坐標系插補變換3的具體實施如圖3所示圖3中該操場形離軸主鏡 在光學設計軟件中是其共軸母鏡的一部分，其長軸方向長度為860mm，短 軸方向長度為640mm，離軸量為320.9mm，經(jīng)過計算，其共軸母鏡的直徑 為1229mm;將新的坐標原點移到其共軸母鏡的中心，在新坐標系中，重 新計算該操場形離軸鏡面的面形坐標，從而完成坐標系變換，在該操場形 離軸主鏡以外的范圍為無效數(shù)據(jù)點。
面形數(shù)據(jù)量化矩陣化4的具體實施如圖4所示將鏡面在XY方向的 分布范圍劃分為MxM的矩陣，其中劃分比例根據(jù)有限元分析中節(jié)點劃分在
X和Y方向上的大??；鏡面數(shù)據(jù)在光軸方向上的值量化為整數(shù)，其量化比 例為矢高除以'義(義=632.8證)再乘以4096;無效數(shù)據(jù)點標記為-32768。
將面形數(shù)據(jù)量化矩陣化4后的面形數(shù)據(jù)矩陣寫入int文件，以十個數(shù)據(jù) 點為一行，最后一行小于或等于十個數(shù)據(jù)點。
將int文件導入光學設計、分析軟件Code V，粘貼到該空間遙感儀器 光學設計模型中主鏡上，以實際的主鏡鏡面面形數(shù)據(jù)代替理想的主鏡鏡面 面形數(shù)據(jù)，對該空間遙感儀器進行光機集成分析，實現(xiàn)對系統(tǒng)的實際光學 性能進行評估。
權利要求
1、一種基于int文件的光機集成分析方法，包括步驟a).將光學系統(tǒng)的有限元分析結(jié)果數(shù)據(jù)進行坐標變換和插補；b).利用int文件作為光學和機械分析的數(shù)據(jù)接口。
2、 根據(jù)權利要求l所述的基于int文件的光機集成分析方法，其特征在 于設計的分析流程包括步驟a) .采用基于坐標系分解和微小位移的近似計算對光學系統(tǒng)的有限元分 析結(jié)果數(shù)據(jù)進行坐標變換；b) .采用坐標線性變換將鏡面數(shù)據(jù)插補到其整個母鏡鏡面范圍；c) .采用特殊標記對插補后的無效數(shù)據(jù)進行標記；d) .采用區(qū)間匹配將變換后的鏡面面形數(shù)據(jù)量化成面形數(shù)據(jù)分布矩陣。
3、 根據(jù)權利要求l所述的基于int文件的光機集成分析方法，其特征在于設計光機集成分析流程是采用數(shù)據(jù)接口中無數(shù)據(jù)擬合過程，避免了數(shù)據(jù)擬合過程引入的面形分布誤差。
全文摘要
一種基于int文件的光機集成分析方法，包括對任意形狀的光學鏡面有限元分析結(jié)果數(shù)據(jù)進行坐標變換處理；以及基于int文件的光機數(shù)據(jù)接口，該數(shù)據(jù)接口將經(jīng)過坐標變換處理的光學鏡面有限元分析結(jié)果數(shù)據(jù)導入到光學設計、分析軟件，以實現(xiàn)空間光學遙感儀器的光機集成分析。本發(fā)明對光學鏡面有限元分析結(jié)果數(shù)據(jù)進行坐標變換處理，可以對任意形狀的鏡面面形數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換處理，彌補了Zemike多項式作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口只能在圓域上進行的不足；利用int文件作為光機集成分析數(shù)據(jù)接口，無數(shù)據(jù)擬合過程，因而避免了數(shù)據(jù)擬合過程引入的面形分布誤差，同時也簡化了計算的復雜度。
文檔編號G02B27/00GK101114309SQ20071004352
公開日2008年1月30日 申請日期2007年7月6日 優(yōu)先權日2007年7月6日
發(fā)明者孫麗葳, 孫勝利, 張朋軍, 敬 王, 勇 羅, 陳桂林 申請人:中國科學院上海技術物理研究所