本發(fā)明屬于光學窗口領域，主要涉及一種至少兩個光學窗口的無框架拼接設計。

背景技術：

飛行器在大氣中做超聲速飛行時，機身及光學窗口與氣流相互作用形成了激波、膨脹波、湍流邊界層等多種復雜的流場結構，導致其周圍密度場、壓力場和溫度場發(fā)生變化。這些不均勻性的出現(xiàn)都會降低光學窗口的性能。此外，超聲速飛行的機載光電系統(tǒng)為了提高自身探測識別能力，要求增大光學系統(tǒng)的口徑以便獲得更多的能量信息。對角線最大尺寸大于500mm的光學窗口往往受到光學材料尺寸的限制，為了保證光學窗口在超聲速飛行的條件下光學性能，目前采用多個光學窗口拼接的方式，在光學窗口的拼接處用結構件作為支撐，安裝時使用粘合劑將光學窗口與結構部分固定。

有框架拼接光學窗口設計時首先根據(jù)系統(tǒng)的指標要求，計算出拼接光學窗口的具體外形尺寸，其次對拼接光學窗口進行有限元的仿真，根據(jù)仿真結果得出合理的光學窗口厚度。這種方法在光學窗口的拼接處采用了結構件，對光學系統(tǒng)形成遮擋，這無疑減小了光學窗口的有效通光口徑，造成光學系統(tǒng)的能量損失，尤其是當拼接處的結構件位于光學系統(tǒng)的中心視場時，會損失光學系統(tǒng)軸上的光信息，影響了光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量，降低整個光電系統(tǒng)的探測識別等性能。

中國科學院長春精密機械與物理研究所專利CN 104749735A公開了“一種拼接式共形光學窗口”，該專利

技術實現(xiàn)要素：
為拼接光學窗口的實體，拼接處沒有結構件支撐但是拼接處的模型為平面，通過膠粘合在一起。該專利沒有詳述為適應超聲速飛行條件下，光學窗口拼接處模型的優(yōu)化方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的不足，為超聲速飛行的機載光電設備上對角線最大尺寸大于500mm的光學窗口，提供一種拼接處無需結構件支撐的無框架拼接設計方法。

本發(fā)明的技術方案為：

所述一種無框架拼接式光學窗口設計方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：根據(jù)系統(tǒng)的指標要求計算出滿足載荷的有效總視場的光學窗口外形尺寸，采用多個光學窗口進行拼接；

步驟2：對于任意兩個相鄰需要拼接的光學窗口，采用以下方法設計光學窗口的拼接參數(shù)：

步驟2.1：兩個拼接光學窗口拼接處采用矩形齒拼接，且相互接觸表面通過涂膠的方式固定；

步驟2.2：確定設計拼接光學窗口的拼接參數(shù)為：矩形齒峰值A、矩形齒相鄰峰值之間的距離P、光學窗口厚度d、矩形齒槽寬e、光學窗口拼接處的長度L、光學窗口中矩形齒槽底與相對邊的距離W、矩形齒頂與光學窗口透光平面的夾角α；

步驟2.3：確定兩個拼接光學窗口之間拼接參數(shù)的約束關系：一個拼接光學窗口的矩形齒狀相鄰峰值之間的距離P是另一個拼接光學窗口矩形齒槽寬e；兩個拼接光學窗口的厚度d相同，兩個拼接光學窗口之間夾角θ和矩形齒狀頂面與光學窗口透光平面的夾角α之間滿足如下關系：α＝180°-θ；其余參數(shù)要求為：

步驟2.4：根據(jù)步驟2.3確定的拼接參數(shù)以及步驟2.4確定的約束關系，確定拼接參數(shù)初值，并采用三維構型軟件建立拼接光學窗口模型，采用有限元分析軟件對拼接光學窗口模型進行有限元仿真分析，得到在使用環(huán)境下，拼接光學窗口的表面位移量及對應的坐標；采用光機熱耦合分析軟件將拼接光學窗口的有限元分析結果擬合成拼接光學窗口Zernike系數(shù)，光學設計軟件調(diào)用擬合后的拼接光學窗口Zernike系數(shù)形成拼接光學窗口Zernike面型，輸出該拼接光學窗口的光學傳遞函數(shù)值；最后評判輸出的光學傳遞函數(shù)值是否不小于理想條件下拼接光學窗口的光學傳遞函數(shù)值的90％，所述理想條件指常溫常壓狀態(tài)；如果小于，則修改拼接參數(shù)，重復本步驟，直到滿足目標為止。

有益效果

本發(fā)明的整體效果體現(xiàn)在：利用無框架拼接式光學窗口，實現(xiàn)了超聲速飛行的機載光電設備上投影形狀對角線尺寸大于500mm的光學窗口的無框架設計方法，在保證光學窗口滿足系統(tǒng)使用要求的前提下，解決了光學窗口拼接處由于結構遮擋降低光學系統(tǒng)透過率或強度不足引起的光學形變降低光學系統(tǒng)性能的問題，從而提升整個光電系統(tǒng)的探測識別等能力。鑒于上述種種優(yōu)勢，本發(fā)明提供的設計方法可應用在超聲速飛行的機載光電系統(tǒng)的拼接光學窗口中。

附圖說明

圖1是本發(fā)明無框架拼接光學窗口示意圖。

圖2是本發(fā)明無框架拼接光學窗口拼接處模型變量示意圖。

圖3是本發(fā)明無框架拼接光學窗口仿真優(yōu)化流程示意圖。

圖4是本發(fā)明第一優(yōu)選實施例無框架拼接光學窗口三維模型圖。

圖5是本發(fā)明第二優(yōu)選實施例無框架拼接光學窗口三維模型圖。

具體實施方式

下面結合附圖及優(yōu)選實施例對本發(fā)明作進一步的詳述。

本發(fā)明的目的是為超聲速飛行的機載光電設備上對角線最大尺寸大于500mm的光學窗口，提供一種拼接處無需結構件支撐的無框架拼接設計方法。

如圖3所示，具體包括以下步驟：

步驟1：根據(jù)系統(tǒng)的指標要求計算出滿足載荷的有效總視場的光學窗口外形尺寸，采用多個光學窗口進行拼接；

步驟2：對于任意兩個相鄰需要拼接的光學窗口，采用以下方法設計光學窗口的拼接參數(shù)：

步驟2.1：兩個拼接光學窗口拼接處采用矩形齒拼接，且相互接觸表面通過涂膠的方式固定；

步驟2.2：確定設計拼接光學窗口的拼接參數(shù)為：矩形齒峰值A、矩形齒相鄰峰值之間的距離P、光學窗口厚度d、矩形齒槽寬e、光學窗口拼接處的長度L、光學窗口中矩形齒槽底與相對邊的距離W、矩形齒頂與光學窗口透光平面的夾角α；

步驟2.3：確定兩個拼接光學窗口之間拼接參數(shù)的約束關系：兩個拼接光學窗口拼接處的矩形齒狀模型互補，即一個拼接光學窗口的矩形齒狀相鄰峰值之間的距離P是另一個拼接光學窗口矩形齒槽寬e；兩個拼接光學窗口的厚度d相同，兩個拼接光學窗口之間夾角θ和矩形齒狀頂面與光學窗口透光平面的夾角α之間滿足如下關系：α＝180°-θ；其余參數(shù)要求為：

步驟2.4：根據(jù)步驟2.3確定的拼接參數(shù)以及步驟2.4確定的約束關系，確定拼接參數(shù)初值，并采用三維構型軟件建立拼接光學窗口模型，采用有限元分析軟件對拼接光學窗口模型進行有限元仿真分析，得到在使用環(huán)境下，拼接光學窗口的表面位移量及對應的坐標；采用光機熱耦合分析軟件將拼接光學窗口的有限元分析結果擬合成拼接光學窗口Zernike系數(shù)，光學設計軟件調(diào)用擬合后的拼接光學窗口Zernike系數(shù)形成拼接光學窗口Zernike面型，輸出該拼接光學窗口的光學傳遞函數(shù)值；最后評判輸出的光學傳遞函數(shù)值是否不小于理想條件下拼接光學窗口的光學傳遞函數(shù)值的90％，所述理想條件指常溫常壓狀態(tài)；如果小于，則修改拼接參數(shù)，重復本步驟，直到滿足目標函數(shù)值為止。

基于上述原理，本發(fā)明第一優(yōu)選實施例機載光電系統(tǒng)要求光學窗口投影尺寸為長度L＝630mm，寬度W＝500mm的矩形，使用波段為0.55μm～5μm，使用環(huán)境為飛行馬赫數(shù)為2，飛行高度為12Km。

首先根據(jù)系統(tǒng)的指標要求采用兩個長度是L＝250mm、寬度是W＝240mm的光學窗口拼接實現(xiàn)系統(tǒng)要求的光學窗口，選擇兩個拼接光學窗口的長度方向進行拼接，拼接光學窗口之間夾角θ為150°。光學窗口的材料是多光譜硫化鋅。其次對光學窗口進行有限元仿真分析及優(yōu)化，根據(jù)圖3可知具體流程如下：先用三維建模軟件如solidworks，UG等軟件建立拼接光學窗口的最初模型，在三維模型中設置模型變量即矩形齒狀的峰值A、相鄰峰值之間的距離P及光學窗口厚度d及變量變化范圍α＝180°-θ，再用有限元分析軟件如ansys軟件對建立好的拼接光學窗口最初模型進行有限元仿真分析，得到在使用環(huán)境為飛行馬赫數(shù)為2，飛行高度為12Km，拼接光學窗口的表面位移量及對應的坐標。再用光機熱耦合分析軟件如：sigfit軟件將拼接光學窗口的有限元分析結果擬合成拼接光學窗口Zernike系數(shù)，光學設計軟件CODEⅤ調(diào)用擬合后的拼接光學窗口Zernike系數(shù)形成拼接光學窗口Zernike面型，輸出該拼接光學窗口的光學傳遞函數(shù)值；最后評判輸出的光學傳遞函數(shù)值是否不小于理想條件下拼接光學窗口的光學傳遞函數(shù)值的90％，如果小于，則修改拼接參數(shù)，重復本步驟，直到滿足目標為止。仿真過程中不同軟件之間數(shù)據(jù)的傳遞、耦合是通過多學科優(yōu)化設計軟件isigt完成的。

拼接光學窗口經(jīng)過優(yōu)化后的模型參數(shù)為：兩個拼接光學窗口之間夾角θ＝150°,α＝180°-θ＝30°，拼接光學窗口1拼接處的矩形齒狀的峰值A＝30mm，矩形齒狀相鄰峰值之間的距離P＝25mm，光學窗口厚度d＝25mm，矩形齒狀槽寬度e＝30mm。拼接光學窗口2拼接處的模型與拼接光學窗口1拼接處的模型互補，該光學窗口拼接處矩形齒狀的峰值A＝30mm，相鄰峰值之間的距離P＝30mm，光學窗口厚度d＝25mm，矩形齒狀槽寬度e＝25mm。

本發(fā)明第二優(yōu)選實施例機載光電系統(tǒng)要求前視方向光學窗口投影尺寸為380mm×540mm的矩形，對空方向光學窗口投影尺寸為430mm×260mm的橢圓形，使用波段為0.6μm～5μm，使用環(huán)境為飛行馬赫數(shù)是1.8，飛行高度為10Km。

首先根據(jù)系統(tǒng)的指標要求采三個光學窗口進行拼接，如圖5所示，拼接光學窗口1與拼接光學窗口2的外形尺寸相同是長度L＝380mm，寬度W＝300mm的矩形，選擇兩個拼接光學窗口的長邊方向進行拼接，拼接光學窗口之間夾角θ是135°。拼接光學窗口3為四邊形尺寸是380mm×380mm×450mm×450mm，與拼接光學窗口1及拼接光學窗口2相臨的兩個面的夾角為θ是135°。光學窗口的材料是多光譜硫化鋅。其次對光學窗口進行有限元仿真分析及優(yōu)化，根據(jù)圖3可知具體流程如下：先用三維建模軟件如solidworks，UG等軟件建立拼接光學窗口的最初模型，在三維模型中設置模型變量即矩形齒狀的峰值A、相鄰峰值之間的距離P及光學窗口厚度d及變量變化范圍α＝180°-θ，再用有限元分析軟件如ansys軟件對建立好的拼接光學窗口最初模型進行有限元仿真分析，得到在使用環(huán)境為飛行馬赫數(shù)為1.8，飛行高度為10Km下，拼接光學窗口的表面位移量及對應的坐標。再用光機熱耦合分析軟件如：sigfit軟件將拼接光學窗口的有限元分析結果擬合成拼接光學窗口Zernike系數(shù)，光學設計軟件CODEⅤ調(diào)用擬合后的拼接光學窗口Zernike系數(shù)形成拼接光學窗口Zernike面型，輸出該拼接光學窗口的光學傳遞函數(shù)值；最后評判輸出的光學傳遞函數(shù)值是否不小于理想條件下拼接光學窗口的光學傳遞函數(shù)值的90％，如果小于，則修改拼接參數(shù)，重復本步驟，直到滿足目標為止。仿真過程中不同軟件之間數(shù)據(jù)的傳遞、耦合是通過多學科優(yōu)化設計軟件isigt完成的。

拼接光學窗口經(jīng)過優(yōu)化后的模型參數(shù)為：拼接光學窗口1與拼接光學窗口2之間夾角θ＝135°,α＝180°-θ＝45°，拼接光學窗口1與拼接光學窗口2之間拼接處矩形齒狀的峰值A＝30mm，相鄰峰值之間的距離P＝50mm，光學窗口厚度d＝25mm，矩形齒狀槽寬度e＝35mm。拼接光學窗口2與拼接光學窗口1拼接處矩形齒狀模型互補，矩形齒狀峰值A＝30mm，矩形齒狀相鄰峰值之間的距離P＝35mm，光學窗口厚度d＝25mm，矩形齒狀槽寬度e＝50mm。拼接光學窗口3與拼接光學窗口1及拼接光學窗口2拼接處矩形齒狀模型參數(shù)相同，之間夾角θ＝90°,α＝180°-θ＝90°，矩形齒狀的峰值A＝25mm，相鄰峰值之間的距離P＝55mm，光學窗口厚度d＝25mm，矩形齒狀槽寬度e＝40mm。拼接光學窗口1與拼接光學窗口3拼接處矩形齒狀峰值A＝25mm，相鄰峰值之間的距離P＝40mm，光學窗口厚度d＝25mm，矩形齒狀槽寬度e＝55mm。拼接光學窗口2與拼接光學窗口3拼接處矩形齒狀峰值A＝25mm，相鄰峰值之間的距離P＝40mm，光學窗口厚度d＝25mm，矩形齒狀槽寬度e＝55mm。