專利名稱：Golay結(jié)構(gòu)多鏡面望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于空間遙感領(lǐng)域，特別涉及一種高分辨率光學(xué)遙感系統(tǒng)的仿真方法。
背景技術(shù)：
空間望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)所需的分辨率越高，則其口徑需設(shè)計(jì)制造得越大。隨著空間事業(yè)的不斷發(fā)展，空間望遠(yuǎn)鏡的口徑被設(shè)計(jì)得越來越大。但將空間望遠(yuǎn)鏡的口徑不斷增大使得整個(gè)空間望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的重量、體積、制造和檢測難度都急劇增加，制造和發(fā)射成本顯著增高，當(dāng)口徑大到一定程度時(shí)，當(dāng)前的技術(shù)無法制造。稀疏孔徑成像系統(tǒng)是為解決大口徑、高角分辨率望遠(yuǎn)鏡的制造問題而提出的一種新型方案，這種空間望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)是以多個(gè)較易制造的小口徑系統(tǒng)按一定方式排列在一起合成為一個(gè)光學(xué)成像系統(tǒng)來替代全孔徑成像系統(tǒng)，具有與全孔徑成像系統(tǒng)相同的分辨本領(lǐng)，但它的重量更輕，成本更低，具有非常廣闊的發(fā)展前景。實(shí)際可用的稀疏孔徑成像系統(tǒng)大多采用由多個(gè)反射鏡組成的反射式或折反式結(jié)構(gòu)，在具體應(yīng)用上有2種形式,分別為多鏡面望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)(Multiple-mirrortelescopes,MMT)和多望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)(Multiple-telescope telescopes, MTT)兩種類型。多鏡面望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)也稱共次鏡望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，是在一個(gè)反射式望遠(yuǎn)鏡的基礎(chǔ)上使用多個(gè)更小的子鏡來代替原來整塊大的反射鏡，這些子鏡的外接圓直徑等于原來主鏡的口徑。多望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)是將多個(gè)小口徑的子望遠(yuǎn)鏡按規(guī)則排列組合成一個(gè)大口徑的成像系統(tǒng)，通過相干疊加各個(gè)子望遠(yuǎn)鏡的成像光束，獲得整個(gè)系統(tǒng)所成的像。稀疏孔徑子孔徑的排列結(jié)構(gòu)主要有環(huán)形、Golay和三臂等多種結(jié)構(gòu)，其中Golay結(jié)構(gòu)被認(rèn)為非冗余性較高,采用Golay結(jié)構(gòu)的稀疏孔徑成像系統(tǒng)的系統(tǒng)性能較好。Golay結(jié)構(gòu)是1971年由Golay提出的一種非冗余結(jié)構(gòu)，子鏡的數(shù)目是3的倍數(shù)。設(shè)子鏡的數(shù)目M=3N，其中N為自然數(shù)，根據(jù)子鏡的個(gè)數(shù)稱為GolayM結(jié)構(gòu)。對于Golay3結(jié)構(gòu)，三子鏡頂點(diǎn)到全孔徑反射鏡中心軸的距離相等，子鏡頂點(diǎn)到中心軸的垂線相互之間的夾角為120度，三個(gè)子鏡存在一個(gè)外接圓，外接圓口徑等于全孔徑反射鏡的口徑。GolayM結(jié)構(gòu)可看作由N個(gè)Golay3結(jié)構(gòu)組成,每個(gè)Golay3結(jié)構(gòu)具有不同的外接圓,它們繞中心軸旋轉(zhuǎn)了不同的角度。目前，國內(nèi)主要以理想光學(xué)系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)研究稀疏孔徑成像系統(tǒng)，并不考慮光學(xué)面的曲率，這類研究結(jié)果與實(shí)際使用時(shí)存在差異，結(jié)合實(shí)際使用因素的多鏡面望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的研究更為重要。同時(shí)，由于在制造和安裝等過程中，多鏡面望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中各個(gè)子鏡的位置可能偏離其理想位置，光學(xué)面的曲率半徑也會因此產(chǎn)生誤差，多望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的稀疏孔徑成像系統(tǒng)中各子望遠(yuǎn)鏡的位置也可能偏離其理想位置，這些誤差均有可能對系統(tǒng)成像的像質(zhì)產(chǎn)生影響。目前國內(nèi)外尚未見針對具有上述影響的多鏡面望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)開展研究的公開報(bào)道
發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中高分辨率光學(xué)遙感系統(tǒng)的仿真方法，本發(fā)明提供一種Golay結(jié)構(gòu)多鏡面望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的仿真方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是:Golay結(jié)構(gòu)多鏡面望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的仿真方法，具體步驟如下:步驟一、將所有子鏡分成N個(gè)Golay3結(jié)構(gòu)三子鏡組。所謂Golay3結(jié)構(gòu)三子鏡組是指可組成Golay3結(jié)構(gòu)的三個(gè)子鏡所構(gòu)成的一個(gè)組合，它由三個(gè)子鏡組成，每個(gè)子鏡頂點(diǎn)到主鏡中心軸的距離相等，子鏡頂點(diǎn)到中心軸的垂線相互之間的夾角為120度，三個(gè)子鏡存在一個(gè)外接圓，外接圓所在的反射鏡鏡面區(qū)域是一個(gè)球冠，該球冠的頂點(diǎn)為該Golay3結(jié)構(gòu)三子鏡組的頂點(diǎn)，定義該外接圓的直徑為該組的口徑，稱經(jīng)過頂點(diǎn)與主鏡垂直的直線為
該組的中心軸。當(dāng)N=l、2、3......等時(shí),分別仿真Golay3、Golay6、Golay9......GolayM等結(jié)構(gòu)
多鏡面望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，M=3N。然后在Golay結(jié)構(gòu)多鏡面望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)上建立坐標(biāo)系。具體步驟為:步驟⑴建立XYZ坐標(biāo)系,取需被設(shè)計(jì)成Golay結(jié)構(gòu)的反射鏡頂點(diǎn)為原點(diǎn)，反射鏡中心軸即光軸取為Z軸，正方向沿O度視場主光線的傳播方向，X軸，Y軸與Z軸相互垂直，構(gòu)成右旋坐標(biāo)系。步驟(2)在每個(gè)Golay3結(jié)構(gòu)三子鏡組上建立UiViWi坐標(biāo)系,Wi軸與Z軸重合，其中一個(gè)子鏡的頂點(diǎn)在UiWi平面內(nèi),Ui軸、Vi軸、Wi軸相互正交，成右旋坐標(biāo)系，其中I < i SN。UiViWi坐標(biāo)系可由XYZ坐標(biāo)系繞z軸旋轉(zhuǎn)11^角得到的，轉(zhuǎn)角Vi由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定。當(dāng)Vi=O時(shí)，UiViWi坐標(biāo)系和XYZ坐標(biāo)系重合。步驟(3)將Ui ViWi坐標(biāo)系繞Wi軸分別旋轉(zhuǎn)0°、120。、-120。，在Golay3結(jié)構(gòu)三子鏡組的三個(gè)子鏡上建立ξ UniJij坐標(biāo)系，其中j=1、2、3。對于同一個(gè)i值，在每個(gè)I ^nij ζ ij坐標(biāo)系中，子鏡頂點(diǎn)坐標(biāo)值和傾角都一樣。步驟二、在已設(shè)計(jì)完成的含有球面反射鏡的全孔徑反射式或折反式望遠(yuǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，根據(jù)所需被設(shè)計(jì)成Golay結(jié)構(gòu)的球面反射鏡參數(shù)，建立Golay結(jié)構(gòu)球面反射鏡模型。具體步驟如下:步驟(I)添加一個(gè)類型為“空對象”的元件，代表XYZ坐標(biāo)系。步驟⑵添加N個(gè)類型為“空對象”的元件，分別代表UiViWi坐標(biāo)系，它們相對于XYZ坐標(biāo)系，原點(diǎn)為(0，0，0)，繞Z軸的轉(zhuǎn)角為￥i0步驟(3)在每個(gè)代表UiViWi坐標(biāo)系的元件后分別添加三個(gè)“空對象”型元件，代表I ij nζ 坐標(biāo)系。相對于UiViWi坐標(biāo)系，ξ ij nij ζ ij坐標(biāo)系的原點(diǎn)為(ο, O, O),當(dāng)j取I,2，3時(shí)，它們繞Wi的轉(zhuǎn)角分別為0° ,120°，-120°。步驟(4)在每個(gè)代表ξ ij Ilij ζ ij坐標(biāo)系的“空對象”元件后分別添加一個(gè)“反射面”元件，代表子鏡，相對于ξ ij n ij ζ ij坐標(biāo)系，“反射面”元件的頂點(diǎn)坐標(biāo)為:
權(quán)利要求
1.Golay結(jié)構(gòu)多鏡面望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的仿真方法，具體包括如下步驟: (1)根據(jù)Golay結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將所有子鏡分成N個(gè)Golay3結(jié)構(gòu)三子鏡組，在全孔徑反射鏡、Golay3結(jié)構(gòu)三子鏡組和子鏡之上分別建立XYZ坐標(biāo)系、UiViWi坐標(biāo)系和ξ u n u ζ u坐標(biāo)系，其中I彡i彡N，j=l、2、3，三類坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合，其中，Z軸、Wi軸和Cij軸重合； (2)在已設(shè)計(jì)完成的含有球面反射鏡的反射式或折反式全孔徑光學(xué)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，根據(jù)所需被設(shè)計(jì)成Golay結(jié)構(gòu)的球面反射鏡參數(shù)，建立Golay結(jié)構(gòu)球面反射鏡模型； (3)根據(jù)全孔徑反射式或折反式望遠(yuǎn)系統(tǒng)參數(shù)和Golay結(jié)構(gòu)球面反射鏡模型，按照光學(xué)設(shè)計(jì)軟件文件格式，通過程序設(shè)計(jì)，建立可執(zhí)行程序，生成可被對應(yīng)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件讀取的文件，執(zhí)行該文件，實(shí)現(xiàn)對Golay結(jié)構(gòu)多鏡面望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的仿真； (4)修改“反射面”元件的包括坐標(biāo)、傾角和曲率半徑參數(shù)，返回步驟(3)，修改相關(guān)程序代碼，分別仿真子鏡具有位置誤差、傾斜誤差和曲率半徑誤差時(shí)的Golay結(jié)構(gòu)多鏡面望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，誤差值等于參數(shù)值改變量；當(dāng)改變量O時(shí)，仿真系統(tǒng)的子鏡無位置誤差、傾斜誤差和曲率半徑誤差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Golay結(jié)構(gòu)多鏡面望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的仿真方法，其特征在于:所述步驟(2)中建立Golay結(jié)構(gòu)球面反射鏡模型具體步驟如下: (a)添加一個(gè)空對象元件，代表XYZ坐標(biāo)系； (b)添加N個(gè)空對象元件，代表UiViWi坐標(biāo)系，各元件相對于XYZ坐標(biāo)系的坐標(biāo)為(0，0，0)，繞Z軸的轉(zhuǎn)角為Iiri, Vi由所采用的Golay結(jié)構(gòu)決定； (c)在代表UiViWi坐標(biāo)系的元件后分別添加三個(gè)空對象元件，代表ξn ζ tj坐標(biāo)系，相對于UiViWi坐標(biāo)系，它們的 坐標(biāo)值為(0，0，O)，當(dāng)j取1，2，3時(shí)的三個(gè)坐標(biāo)系繞Wi的轉(zhuǎn)角分別為 0°、120。、-120。； (d)在每個(gè)代表ξ^nij ζ u坐標(biāo)系的元件后分別添加一個(gè)反射面元件，代表子鏡，設(shè)置元件參數(shù)，如果所代表的子鏡屬于同一 Golay3結(jié)構(gòu)三子鏡組，在無誤差的情況下，元件參數(shù)相同； (e)合并重合元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的Golay結(jié)構(gòu)多鏡面望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的仿真方法，其特征在于:步驟(2)中所述需被設(shè)計(jì)成Golay結(jié)構(gòu)的反射鏡為系統(tǒng)中任意一個(gè)反射鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種Golay結(jié)構(gòu)多鏡面望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的仿真方法，其步驟為一、將所有子鏡分成多個(gè)Golay3結(jié)構(gòu)三子鏡組，建立坐標(biāo)系；二、在反射式或折反式全孔徑光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以“空對象”代表坐標(biāo)系，以“反射面”代表子鏡，建立Golay結(jié)構(gòu)球面反射鏡模型；三、通過程序設(shè)計(jì)建立可執(zhí)行程序，生成可被對應(yīng)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件讀取的文件，執(zhí)行該文件，實(shí)現(xiàn)仿真；四、改變元件參數(shù)，重復(fù)步驟三，并修改相關(guān)程序代碼，仿真有誤差情況下的Golay結(jié)構(gòu)多鏡面望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。本發(fā)明方法原理簡單，操作方便，分析數(shù)據(jù)便捷，有利于評價(jià)Golay結(jié)構(gòu)多鏡面望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的成像質(zhì)量、誤差對像質(zhì)的影響，對系統(tǒng)制造具有指導(dǎo)價(jià)值。
文檔編號G02B27/00GK103197419SQ201310131618
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月16日
發(fā)明者吳峰, 朱錫芳, 吳泉英, 錢霖 申請人:常州工學(xué)院