本發(fā)明涉及航天器產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于x射線脈沖星探測器的多目標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

隨著我國航天技術(shù)的發(fā)展以及未來軍事需求的驅(qū)動(dòng)，深空探測、科學(xué)探索以及小衛(wèi)星編隊(duì)等型號任務(wù)的實(shí)施都需航天器的自主導(dǎo)航技術(shù)，而x射線脈沖星導(dǎo)航技術(shù)是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ淖灾鲗?dǎo)航技術(shù)。x射線脈沖星導(dǎo)航的實(shí)現(xiàn)主要依賴于輕量化、高靈敏度的脈沖星探測器的研制。日益苛刻的深空環(huán)境以及航天器微型化的發(fā)展趨勢迫切需要研制輕量化且高靈敏度的x射線脈沖星探測器。實(shí)際上，x射線脈沖星探測器是一種典型的光機(jī)電熱磁等涉及多學(xué)科的復(fù)雜產(chǎn)品，學(xué)科間耦合嚴(yán)重，設(shè)計(jì)目標(biāo)多且存在不同程度的沖突，其研制是一種多物理場耦合作用、多目標(biāo)相互協(xié)調(diào)的過程。

傳統(tǒng)的脈沖星探測器設(shè)計(jì)過程往往只開展諸如結(jié)構(gòu)、熱學(xué)、光學(xué)等單一物理場的分析，割裂了產(chǎn)品天然耦合的固有特性，忽略了多物理場之間的耦合效應(yīng)，導(dǎo)致脈沖星探測器的分析結(jié)果無法真實(shí)反映實(shí)際情況。目前的脈沖星探測器設(shè)計(jì)優(yōu)化尚存如下兩個(gè)問題：其一、目前還局限于開展單目標(biāo)優(yōu)化，比如光學(xué)性能最優(yōu)、重量最輕、面積最大等。隨著產(chǎn)品復(fù)雜程度的提高，單目標(biāo)已不能綜合反映產(chǎn)品性能的優(yōu)劣，實(shí)際工程中更加注重多目標(biāo)的綜合優(yōu)化，在工程上更加合理化。其二、目前的優(yōu)化大都局限于基于數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化，或建立在單物理場有限元分析的基礎(chǔ)上，獲得的最優(yōu)解僅具有數(shù)學(xué)意義或只能反映在某一物理場影響下的最優(yōu)解，而不能獲得綜合考慮多物理場間的耦合效應(yīng)以及多目標(biāo)間的沖突特性的整體折中優(yōu)化解。因此，本專利提出一種基于多場耦合分析的脈沖星探測器多目標(biāo)優(yōu)化方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于多場耦合分析的脈沖星探測器多目標(biāo)優(yōu)化方法，該方法基于所構(gòu)建的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，采用基于遺傳算法的pareto法對x射線脈沖星探測器進(jìn)行了綜合優(yōu)化，獲得非劣解集，并對基于選擇的優(yōu)化解進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，通過多場耦合分析驗(yàn)證多目標(biāo)優(yōu)化解是否滿足設(shè)計(jì)要求。該法實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段就充分考慮多場耦合效應(yīng)，并獲得了優(yōu)化解集，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品自建模、優(yōu)化與分析整個(gè)過程的自動(dòng)化，提高了設(shè)計(jì)效率，解決了實(shí)際工程中“試湊”法造成的設(shè)計(jì)反復(fù)，降低了研制成本，并為設(shè)計(jì)人員提供了更多選擇。

本發(fā)明所采用的技術(shù)解決方案：一種基于多場耦合分析的脈沖星探測器多目標(biāo)優(yōu)化方法，包括以下步驟：

(1)選定x射線脈沖星探測器的設(shè)計(jì)參數(shù)，所述設(shè)計(jì)參數(shù)包括光學(xué)系統(tǒng)中鏡片嵌套層數(shù)i，鏡片厚度w，光學(xué)鏡片長度l，鏡筒內(nèi)直徑dti，鏡筒厚度t，探測器半徑re，光子最佳掠入射角θ；其中，i＝1，2，3，…，n；n為正整數(shù)；

(2)根據(jù)步驟(1)確定的x射線脈沖星探測器的設(shè)計(jì)參數(shù)，構(gòu)建x射線脈沖星探測器優(yōu)化模型，優(yōu)化模型包括重量最小化wmin和探測靈敏度最小化fmin：

其中，b為空間本底噪聲，ξ為x光子的入射系數(shù)，ε為探測器量子效率，β為探測器死區(qū)系數(shù)，nσ為探測信噪比，δe為觀測能段，dto為鏡筒外直徑，dti為鏡筒內(nèi)直徑；aeff為光學(xué)系統(tǒng)有效面積；鏡筒外直徑dto＝dti+2t；光學(xué)系統(tǒng)焦距其中，ω為設(shè)定的光學(xué)系統(tǒng)半視場角；光學(xué)系統(tǒng)最外層鏡片大端半徑rd1＝f·tan(2θ)；光學(xué)系統(tǒng)最外層鏡片小端半徑ρt為鏡筒結(jié)構(gòu)材料密度；ρm為光學(xué)系統(tǒng)鏡片結(jié)構(gòu)材料密度；rx(i)＝rd(i+1)；rx(i)表示第i層鏡片小端半徑，rd(i+1)表示第i+1層鏡片大端半徑；第i+1層鏡片位于第i層鏡片內(nèi)側(cè)；

(3)利用pareto多目標(biāo)遺傳算法對步驟(2)中構(gòu)建的重量w的優(yōu)化模型和探測靈敏度fmin的優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化，獲得x射線脈沖星探測器的在設(shè)計(jì)空間內(nèi)的非劣解集；根據(jù)探測靈敏度fmin、重量w的優(yōu)化解集，在非劣解集中選擇某一組解，獲得相應(yīng)的x射線脈沖星探測器設(shè)計(jì)參數(shù)；

(4)根據(jù)步驟(3)中選定的x射線脈沖星探測器的設(shè)計(jì)參數(shù)，構(gòu)建x射線脈沖星探測器的三維模型、有限元模型；在建立的有限元模型中設(shè)置鏡片的形變量提取點(diǎn)，對x射線脈沖星探測器進(jìn)行結(jié)構(gòu)-熱耦合分析，計(jì)算得到mn個(gè)形變量提取點(diǎn)的形變量、x射線脈沖星探測器最大應(yīng)力和最大形變；其中，形變量提取點(diǎn)的設(shè)置方法如下：在每層鏡片的內(nèi)表面上，沿著光學(xué)系統(tǒng)的軸線方向設(shè)置n條曲線，并在每條曲線上設(shè)置m個(gè)點(diǎn)；m、n均為正整數(shù)；

(5)根據(jù)步驟(4)中結(jié)構(gòu)-熱耦合分析獲得的每層鏡片mn個(gè)形變量提取點(diǎn)的形變量，對mn個(gè)形變量提取點(diǎn)的坐標(biāo)位置進(jìn)行擬合，得到形變后的光學(xué)鏡頭各鏡片的內(nèi)表面；

(6)利用光學(xué)追蹤法、x射線掠入射全反射理論，將x光子入射到步驟(5)擬合后獲得的光學(xué)鏡頭各鏡片的內(nèi)表面，進(jìn)行聚焦性能分析；根據(jù)x射線脈沖星探測器最大應(yīng)力，對x射線脈沖星探測器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行判定；如果聚焦效率η大于80％且最大應(yīng)力小于材料的屈服極限強(qiáng)度，則進(jìn)入步驟(7)；否則，返回步驟(3)，在非劣解集中選擇另一組解，重新計(jì)算；

(7)利用最終獲得的x射線脈沖星探測器的設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)x射線脈沖星探測器。

所述步驟(4)中mn個(gè)形變量提取點(diǎn)的形變量計(jì)算過程如下：

(4a)在光學(xué)鏡頭上建立軸線與光學(xué)鏡頭中心軸線方向一致的圓柱坐標(biāo)系，在圓柱坐標(biāo)系中，第m個(gè)形變量提取點(diǎn)的軸向坐標(biāo)、徑向坐標(biāo)和角度坐標(biāo)分別為：zm、rm、θm，其中，m＝1，2，…，mn；

(4b)將x射線脈沖星探測器的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分為q個(gè)節(jié)點(diǎn)；其中，q為正整數(shù)；通過結(jié)構(gòu)-熱耦合分析得到所有節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力，確定各形變量提取點(diǎn)上的正應(yīng)力和切應(yīng)力；并通過熱學(xué)分析得到各節(jié)點(diǎn)之間的熱傳遞量，確定出各形變量提取點(diǎn)的溫度變化量；其中，第m個(gè)形變量提取點(diǎn)上的正應(yīng)力包括過軸向正應(yīng)力σz,m、徑向正應(yīng)力σr,m和角度正應(yīng)力σθ,m；第m個(gè)形變量提取點(diǎn)上的切應(yīng)力包括徑向切應(yīng)力τrr,m、rθ向切應(yīng)力τrθ,m和rz向切應(yīng)力τrz,m；第m個(gè)形變量提取點(diǎn)上的溫度變化量為δtm；

(4c)根據(jù)如下的結(jié)構(gòu)-熱耦合方程計(jì)算得到各形變量提取點(diǎn)上的形變量，結(jié)構(gòu)-熱耦合方程如下：

εr,m＝[2σr,m-2υm(σθ,m+σz,m)+αmδtm]/em；

εθ,m＝[2σθ,m-2υm(σr,m+σz,m)+αmδtm]/em；

εz,m＝[2σz,m-2υm(σr,m+σθ,m)+αmδtm]/em；

γrr,m＝τrr,m/gm；

γrθ,m＝τrθ,m/gm；

γrz,m＝2τrz,m/gm；

其中，εz,m、εr,m、εθ,m分別為第m個(gè)形變量提取點(diǎn)的軸向正應(yīng)變量、徑向正應(yīng)變量和角度向正應(yīng)變量；γrr,m、γrθ,m、γrz,m分別為第m個(gè)形變量提取點(diǎn)的徑向切應(yīng)變量、rθ向切應(yīng)變量和rz向切應(yīng)變量；υm、αm、em、gm分別為第m個(gè)形變量提取點(diǎn)的泊松比、熱膨脹系數(shù)、彈性模量和剛性模量。

所述步驟(6)中，聚焦性能分析過程如下：

(6a)設(shè)定入射光線數(shù)量nline、在設(shè)定的范圍內(nèi)隨機(jī)生成每個(gè)x光子的能量nej，在設(shè)定的范圍內(nèi)隨機(jī)生成掠入射角θej；

(6b)將步驟(6a)中設(shè)定的x光子入射到擬合后獲得的光學(xué)鏡頭各鏡片的內(nèi)表面，x光子經(jīng)反射匯聚于探測器焦平面上；在坐標(biāo)系中，計(jì)算獲得每個(gè)x光子在焦平面上的位置坐標(biāo)(xj,yj,zj)，坐標(biāo)系原點(diǎn)位于焦平面中心；j＝1,2,3,…,nline；

計(jì)算每個(gè)x光子的位置與探測器中心的距離：

(6c)統(tǒng)計(jì)進(jìn)入探測器焦平面的光子數(shù)目mej，計(jì)算聚焦效率

所述步驟(3)中pareto多目標(biāo)遺傳算法的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：種群類型為doublevector，種群數(shù)量為15nd，nd為設(shè)計(jì)參數(shù)的數(shù)量，迭代次數(shù)為300，交叉函數(shù)為scattered，pareto前沿復(fù)制系數(shù)為0.7。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)在本發(fā)明的多目標(biāo)優(yōu)化中，首次構(gòu)建了以探測靈敏度和重量最小化為目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，基于遺傳算法的pareto法實(shí)現(xiàn)了x射線脈沖星探測器的多目標(biāo)優(yōu)化，在設(shè)計(jì)參數(shù)空間內(nèi)獲得了所有非劣解集，為設(shè)計(jì)與決策人員提供了更多選擇。

(2)采用熱力學(xué)與彈性力學(xué)理論建立了結(jié)構(gòu)-結(jié)構(gòu)耦合方程，同時(shí)施加熱、力學(xué)試驗(yàn)條件，實(shí)現(xiàn)了x射線脈沖星探測器的結(jié)構(gòu)-熱耦合分析，獲得了產(chǎn)品最大應(yīng)力分布情況；采用基于光線追蹤法和耦合方程獲得光學(xué)系統(tǒng)鏡片面形并對其進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，獲得了耦合形變后的x射線光學(xué)鏡片面形，解決了實(shí)際工程中未考慮多物理場耦合效應(yīng)而帶來的設(shè)計(jì)裕度不足的問題，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性。

(3)在本發(fā)明的多目標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化中，集成多場耦合方程、有限元分析方法、光學(xué)鏡頭面形提取與擬合方法、x射線全反射理論和pareto算法，構(gòu)建了x射線脈沖星探測器從建模、多物理場耦合分析與多目標(biāo)優(yōu)化過程的一體化、自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)了不同設(shè)計(jì)階段、各學(xué)科間設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)映射與傳遞，提高了航天產(chǎn)品開發(fā)效率，降低了研制成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明用于基于多場耦合分析的x射線脈沖星探測器多目標(biāo)優(yōu)化方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明中x射線光學(xué)系統(tǒng)多層嵌套示意圖

圖3為本發(fā)明中x射線脈沖星探測器pareto多目標(biāo)優(yōu)化非劣解集；

圖4為本發(fā)明中x射線光學(xué)鏡片拋物面形曲線

圖5為本發(fā)明中x射線脈沖星探測器的有限元分析模型；

圖6為本發(fā)明中x射線脈沖星探測器結(jié)構(gòu)-熱耦合形變擬合曲線；

圖7為本發(fā)明中x射線脈沖星探測器聚焦仿真分析；

圖8為本發(fā)明中根據(jù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)的x射線脈沖星探測器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述：

本發(fā)明對x射線脈沖星探測器進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，集成了光、機(jī)、熱多場耦合特性、pareto算法和x光子全反射理論，實(shí)現(xiàn)脈沖星探測器數(shù)學(xué)模型、有限元模型和優(yōu)化模型之間的數(shù)據(jù)自動(dòng)傳遞，避免了傳統(tǒng)單場分析、單目標(biāo)優(yōu)化以及試湊法導(dǎo)致的新研產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性差、研制周期長和無法獲得全局性能最優(yōu)等問題。

如圖1所示的分析方法流程圖，本發(fā)明的一種基于多場耦合分析的x射線脈沖星探測器多目標(biāo)優(yōu)化方法，包括以下步驟：

(1)選定x射線脈沖星探測器的設(shè)計(jì)參數(shù)，所述設(shè)計(jì)參數(shù)包括光學(xué)系統(tǒng)嵌套層數(shù)i，鏡片厚度w，光學(xué)系統(tǒng)長度l，探測器半徑re，鏡筒內(nèi)徑dti，鏡筒厚度t，光子最佳掠入射角θ，具體計(jì)算公式如下：

光學(xué)系統(tǒng)焦距其中，ω為設(shè)定的光學(xué)系統(tǒng)半視場角，2ω＝15’；

光學(xué)系統(tǒng)最外層鏡片大端半徑rd1＝f·tan(2θ)；

光學(xué)系統(tǒng)最外層鏡片小端半徑

其中，rx(i)＝rd(i+1)；rx(i)表示第i層鏡片小端半徑，rd(i+1)表示第i+1層鏡片大端半徑；第i+1層鏡片位于第i層鏡片內(nèi)側(cè)；

設(shè)計(jì)參變量具體取值范圍如下：

(2)根據(jù)步驟(1)確定的x射線脈沖星探測器的設(shè)計(jì)參數(shù)，構(gòu)建x射線脈沖星探測器優(yōu)化模型，優(yōu)化目標(biāo)包括：產(chǎn)品重量w最小化模型、探測靈敏度fmin最小化模型：

a.產(chǎn)品重量最小化模型：產(chǎn)品重量主要考慮光學(xué)鏡片重量、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)重量。

多層光學(xué)鏡片重量計(jì)算：

其中，光學(xué)系統(tǒng)多層嵌套示意圖如圖2所示，設(shè)定rx(i)表示第i層鏡片小端半徑，rd(i)表示第i層鏡片大端半徑，每層光學(xué)鏡片大小段半徑之間存在如下關(guān)系：

rd(i+1)＝rx(i)-w

每層光學(xué)鏡片重量可按圓臺(tái)體積與材料密度乘積計(jì)算，計(jì)算公式如下：

因此，多層嵌套光學(xué)鏡片總重量wm計(jì)算公式可表示為：

鏡筒結(jié)構(gòu)重量：鏡筒結(jié)構(gòu)重量是指x射線光學(xué)系統(tǒng)焦距長度上的結(jié)構(gòu)重量，設(shè)定鏡筒內(nèi)直徑為dti，鏡筒厚度為t，鏡筒長度＝光學(xué)系統(tǒng)焦距f，計(jì)算公式如下：

因此，x射線脈沖星探測器重量最小化模型計(jì)算公式如下：

b.探測靈敏度最小化模型

本底噪聲b＝1，x光子的入射系數(shù)ξ＝0.5，探測器量子效率ε＝0.9，探測器死區(qū)系數(shù)β＝0.1，探測信噪比nσ＝5，觀測能段δe＝9.5kev，觀測時(shí)間t＝7200s。

其中，有效面積ξr＝0.6為x射線光學(xué)效率反射率；

(3)利用pareto多目標(biāo)遺傳算法對步驟(2)中構(gòu)建的重量wmin的優(yōu)化模型和探測靈敏度fmin的優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化，獲得x射線脈沖星探測器的在設(shè)計(jì)空間內(nèi)的非劣解集；其中，pareto多目標(biāo)遺傳算法的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：種群類型：doublevector、種群數(shù)量：15nd，nd為設(shè)計(jì)參數(shù)的數(shù)量、迭代次數(shù)：300、交叉函數(shù)：scattered、pareto前沿復(fù)制系數(shù)：0.7，進(jìn)行全局優(yōu)化，獲得產(chǎn)品多目標(biāo)非劣解集，如圖3所示。

綜合考慮實(shí)際性能、研制成本與裝調(diào)難度等因素，在靈敏度相同數(shù)量級的情況下優(yōu)選重量較小的優(yōu)化值。因此，在非劣解集中選擇的一組解為：探測靈敏度：7.731×10^-4photons/cm²/s/kev、重量：3.478kg。其對應(yīng)的鏡片長度l＝141.2mm、探測器半徑re＝3.0105mm、鏡片厚度w＝0.3086mm、鏡筒壁厚t＝2.21mm、最佳掠入射角θ＝1.233°，嵌套層數(shù)i＝17層、f＝1375.1mm，探測面積aeff＝85.7mm²、鏡筒內(nèi)徑dti＝209.78。優(yōu)化獲得的17層嵌套光學(xué)鏡片面形曲線如圖4所示，其中采用的鏡片尺寸為圖中兩條橫線間的部分。

(4)根據(jù)步驟(3)中選定的x射線脈沖星探測器的設(shè)計(jì)參數(shù)，構(gòu)建x射線脈沖星探測器的三維模型、有限元模型；在建立的有限元模型中設(shè)置鏡片的形變量提取點(diǎn)，對x射線脈沖星探測器進(jìn)行結(jié)構(gòu)-熱耦合分析，計(jì)算得到mn個(gè)形變量提取點(diǎn)的形變量、x射線脈沖星探測器最大應(yīng)力和最大形變；其中，形變量提取點(diǎn)的設(shè)置方法如下：在每層鏡片的內(nèi)表面上，沿著光學(xué)系統(tǒng)的軸線方向設(shè)置n條曲線，并在每條曲線上設(shè)置m個(gè)點(diǎn)；

其中，x射線脈沖星探測器三維模型可根據(jù)設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果采用普通cad軟件構(gòu)建。其有限元模型建立過程如下：

通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件與計(jì)算機(jī)有限元分析軟件的接口，將所述三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，設(shè)置所述x射線脈沖星探測器各零部件的材料、熱膨脹系數(shù)、泊松比、彈性模量和剛性模量；在工程實(shí)現(xiàn)時(shí)，光學(xué)鏡片為鎳金屬，結(jié)構(gòu)采用鋁合金材料，選用patchindependent方法對整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分網(wǎng)格，其中形狀檢測與控制選用“standardmechanical”方法，并采用“programcontrol”法控制節(jié)點(diǎn)大小，共生成244185個(gè)節(jié)點(diǎn)，107066個(gè)單元，在每層光學(xué)鏡片圓周方向上構(gòu)建12條，每條15個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的形變量提取點(diǎn)，建立整機(jī)有限元分析模型如圖5所示。

結(jié)構(gòu)-熱耦合分析：設(shè)置約束在支撐結(jié)構(gòu)與星本體的連接面施加固定約束，力學(xué)載荷為98000mm/s²，熱載荷為零件表面、電路板和器件的輻射系數(shù)選為0.63，零件輻射系數(shù)設(shè)為0.86，高低溫環(huán)分別設(shè)為50℃和-30℃。x射線光學(xué)窗口向外部環(huán)境的輻射系數(shù)選為0.8，外部環(huán)境溫度為-260℃，存在太陽外熱流時(shí)窗口的輻射系數(shù)選為0.8，環(huán)境溫度為-120℃，外熱流為800w/m²。計(jì)算方法：采用有限元軟件的靜力學(xué)分析與熱學(xué)分析模塊來計(jì)算。

通過結(jié)構(gòu)-熱耦合分析可計(jì)算得到每層鏡片mn＝180個(gè)形變量提取點(diǎn)的形變量(其中最大為0.15556mm，最小為0.0623mm)、x射線脈沖星探測器最大應(yīng)力262.51mpa。

(5)根據(jù)步驟(4)中結(jié)構(gòu)-熱耦合分析獲得的每層鏡片mn＝180個(gè)形變量提取點(diǎn)的形變量，對180個(gè)形變量提取點(diǎn)的坐標(biāo)位置進(jìn)行擬合，得到形變后的光學(xué)鏡頭各鏡片的內(nèi)表面；

考慮到光學(xué)鏡頭的面形公式(拋物線函數(shù))，采用二次多項(xiàng)式函數(shù)對上述提取的面形數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。采用polyfit函數(shù)對設(shè)定的面形線段進(jìn)行逐條擬合。以120°相位處的面形線為例進(jìn)行擬合與誤差分析，擬合得到的多項(xiàng)式系數(shù)(二次項(xiàng)、一次項(xiàng)與常數(shù)項(xiàng))。以第一層鏡片為例進(jìn)行擬合，擬合系統(tǒng)分別為0.172697、24.594555、-686.089325，如圖6所示，實(shí)際上第一層鏡片僅利用了擬合拋物線的56.1mm～59.2mm之間的一段。擬合誤差要求小于0.1mm，實(shí)際擬合誤差為0.016mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

(6)利用光學(xué)追蹤法、x射線掠入射全反射理論，將x光子入射到步驟(5)擬合后獲得的光學(xué)鏡頭各鏡片的內(nèi)表面，進(jìn)行聚焦性能分析；根據(jù)x射線脈沖星探測器最大應(yīng)力，對x射線脈沖星探測器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行判定；如果聚焦效率η大于80％且最大應(yīng)力小于材料的屈服極限強(qiáng)度，則進(jìn)入步驟(7)；否則，返回步驟(3)，在非劣解集中選擇另一組解，重新計(jì)算；

基于步驟(5)擬合獲得了結(jié)構(gòu)-熱耦合形變后的光學(xué)鏡片面形，主要研究三種光學(xué)視場下的x光子聚焦情況，視場分別為0°、0.0625°、0.125°，在光學(xué)視場內(nèi)隨機(jī)生成1800個(gè)x光子，即nline＝1800，x光子能量nej范圍為0.5～10kev，在設(shè)定的范圍內(nèi)隨機(jī)生成掠入射角θej；采用光線追蹤法將x光子入射至擬合后的鏡片內(nèi)表面，然后追蹤其反射路徑，計(jì)算每個(gè)反射后的x光子聚焦在探測器焦平面上的位置坐標(biāo)(xj,yj,zj)，并根據(jù)如下計(jì)算公式計(jì)算出x光子距離焦平面中心的距離，判定是否聚焦在焦平面內(nèi)，并計(jì)算聚焦效率。

聚焦性能仿真結(jié)果如圖7所示，0°視場下的所有x光子均聚焦在探測器焦平面上，即mie＝1800，0.0625°視場下有1713個(gè)x光子聚焦在探測器內(nèi)，聚焦效率η＝95.17％，0.125°視場下有1529個(gè)x光子聚焦在探測器焦平面內(nèi)，η＝84.94％。因此，所有視場內(nèi)的聚焦效率均大于80％，滿足設(shè)計(jì)要求。

此外，結(jié)構(gòu)-熱耦合分析結(jié)果表明x射線脈沖星探測器的最大應(yīng)力為262.51mpa，小于材料(鋁)屈服極限強(qiáng)度375mpa。因此，該組優(yōu)化解滿足工程設(shè)計(jì)要求。

(7)利用最終獲得的x射線脈沖星探測器的設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)x射線脈沖星探測器。

針對所選取并通過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和聚焦效率分析驗(yàn)證后的一組優(yōu)化解，進(jìn)行合理化取整，即光學(xué)系統(tǒng)嵌套17層，光學(xué)鏡片長度l＝141.0mm、探測器半徑re＝3.0mm、鏡片厚度w＝0.31mm、鏡筒壁厚t＝2.2mm、最佳掠入射角θ＝1.233°，f＝1375.1mm，鏡筒內(nèi)徑dti＝210。然后開展詳細(xì)化設(shè)計(jì)并投產(chǎn)，研制x射線脈沖星探測器。根據(jù)上述參數(shù)設(shè)計(jì)的x射線脈沖星探測器三維模型如圖8所示。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。