一种星载望远镜探测系统的稳定性仿真方法与流程

本发明涉及空间引力波探测领域，特别是一种星载望远镜探测系统的稳定性仿真方法。

背景技术：

1、空间引力波探测技术可以将探测频段拓展到0.1mhz～1hz，该频段丰富的引力波事件有望揭开更多的宇宙奥秘。目前国内外正在开展的引力波探测任务采用三颗航天器在空间组成等边的三角形星座，在几十万到几百万公里的臂长上构建高精度的长基线干涉系统，测量两个测试质量之间的相对距离变化，再通过距离变化反演引力波信号。

2、望远镜探测系统是空间引力波探测系统的核心组件之一，主要功能是本地激光的准直发射和远端激光的接收与压缩。由于本地发射的激光经过远距离传输能够被远端接收的信号非常微弱，空间望远镜对尺寸稳定性有着极高的要求，与传统成像光学系统存在极大不同，相对于像质而言，其更注重自身的尺寸稳定性。

3、目前各国的空间引力波探测计划还都处在技术验证阶段，相关技术试验卫星均未搭载望远镜，空间引力波探测望远镜的研究相对滞后，目前依旧处在初样设计阶段。其中，望远镜稳定性设计涉及光机力热多个方面的严苛要求，因此需开展光机力热一体仿真，分析望远镜在轨环境下的稳定性。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种望远镜探测系统的稳定性仿真方法，实现对空间引力波探测望远镜的热、结构、光学联合仿真，分析望远镜在轨环境下的稳定性，进而为望远镜稳定性设计优化提供支撑。

2、本发明的技术解决方案是：一种星载望远镜探测系统的稳定性仿真方法，包括如下步骤：

3、(1)对望远镜探测系统所处轨道的热环境和望远镜探测系统本身进行热仿真建模，得到热分析温度场数据；望远镜探测系统的热模型包括光学元件热模型和结构元件热模型，光学元件包括光学镜片，结构元件包括多级缓冲抑热结构、光学元件支撑结构；

4、(2)对望远镜探测系统进行结构仿真建模，得到望远镜探测系统的结构模型，将热分析温度场数据映射至结构模型，进行结构热变形分析，得到温度场变化引起的结构变形量；基于温度场变化引起的结构变形量，进行面型拟合，得到光学元件表面面型变形量；所述的结构模型包括光学元件结构模型和结构元件结构模型；

5、(3)将望远镜探测系统的光学元件表面面型变形量代入望远镜探测系统的光学设计模型，进行光线追迹，得到变形后系统视轴变化；

6、(4)根据变形前视轴与变形后系统视轴变化，计算得到望远镜探测系统的稳定性指标。

7、进一步，所述对望远镜探测系统所处轨道的热环境和望远镜探测系统本身进行热仿真建模，得到热分析温度场数据，包括如下步骤：

8、(1.1)对望远镜探测系统所处轨道的热环境进行仿真建模，分析得到轨道周期内，热环境对望远镜探测系统产生的外热流条件变化范围；

9、(1.2)对望远镜探测系统进行热仿真建模，得到望远镜探测系统的热模型；

10、(1.3)根据外热流条件变化范围和望远镜探测系统热模型，分析得到光学元件和结构元件的热分析温度场数据。

11、进一步，对望远镜探测系统的多级缓冲抑热结构的热仿真建模粒度，控制在mk量级的温度梯度。

12、进一步，热分析温度场数据包括外热流条件变化范围内的温度梯度分布云图、温度时域变化曲线、温度频域变化曲线。

13、进一步，在步骤(2)中，光学元件结构模型的光学元件还包括焦平面，进行结构仿真建模时，对焦平面建立实体结构模型。

14、进一步，所述对望远镜探测系统进行结构仿真建模，将热分析温度场数据映射至结构模型，进行结构热变形分析，得到温度场变化引起的结构变形量，包括如下步骤：

15、(2.1)对望远镜探测系统的光学镜片、焦平面和结构元件进行有限元网格划分，建立结构有限元分析模型；

16、(2.2)将热分析温度场数据进行插值后，映射至结构有限元分析模型，进行结构热变形分析；

17、(2.3)计算得到温度场变化引起的光学元件支撑结构的刚体位移、光学镜片的平移和倾斜位移、光学镜片的镜间距变化量以及焦平面本身热变形。

18、进一步，所述基于温度场变化引起的结构变形量，进行面型拟合，得到光学元件表面面型变形量，包括如下步骤：

19、(2.4)提取光学元件表面具有结构变形的有限元节点坐标及位置变化量；

20、(2.5)提取相应的刚体位移、平移和倾斜位移、镜间距变化量以及焦平面本身热变形，采用fringe zernike计算，得到面型拟合数据；

21、(2.6)根据面型拟合数据，计算得到zernike多项式的各项系数，即光学元件表面面型变形量。

22、进一步，根据变形前视轴与变形后系统视轴变化，计算得到望远镜探测系统的稳定性指标的具体方式为：

23、计算已知表面面型变形量的焦平面实体结构模型几何中心(0,0)点对应的视场物方光束在光学系统孔径光阑前h位置处光斑中心位置(xi,yi)，并以理想条件下焦平面实体模型几何中心(0,0)视场物方光束在光学系统孔径光阑前h位置处光斑中心位置(xo,yo)作为基准，根据(xo,yo)、(xi,yi)变化情况，计算得到望远镜探测系统的稳定性指标。

24、进一步，所述稳定性指标包括波像差、光程差和相机视轴变化量。

25、本发明与现有技术相比的优点在于：

26、(1)通过本发明提出的望远镜探测系统的稳定性仿真方法能够实现热温度场模型、光机结构模型、光学系统参数灵敏度模型之间耦合一体化仿真分析，得到望远镜的稳定性情况，包括远场波前质量、光程和光轴稳定性。

27、(2)通过增加焦平面实体建模，可将焦平面组件自身的变形影响通过仿真模型得到，可使得整个系统的仿真指标更加接近真实情况，进一步提高仿真准确性。

28、(3)通过综合考虑空间引力波探测系统望远镜结构形式、热膨胀系数分布和温度场分布等因素对反射镜热稳定性的影响，并考虑了仿真网格的收敛性等影响，较以往的方法更为全面和准确，能够更好的指导结构和热控设计。

29、(4)本发明所得的结果可以作为可预测热控方法的数据依据，可以用于可预测热控的方案优化，利用本发明所得结果可以为望远镜轻量化形式的方案选择提供依据。

技术特征：

1.一种星载望远镜探测系统的稳定性仿真方法，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的星载望远镜探测系统的稳定性仿真方法，其特征在于：所述对望远镜探测系统所处轨道的热环境和望远镜探测系统本身进行热仿真建模，得到热分析温度场数据，包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的星载望远镜探测系统的稳定性仿真方法，其特征在于：对望远镜探测系统的多级缓冲抑热结构的热仿真建模粒度，控制在mk量级的温度梯度。

4.根据权利要求2所述的星载望远镜探测系统的稳定性仿真方法，其特征在于：热分析温度场数据包括外热流条件变化范围内的温度梯度分布云图、温度时域变化曲线、温度频域变化曲线。

5.根据权利要求1所述的星载望远镜探测系统的稳定性仿真方法，其特征在于：在步骤(2)中，光学元件结构模型的光学元件还包括焦平面，进行结构仿真建模时，对焦平面建立实体结构模型。

6.根据权利要求5所述的星载望远镜探测系统的稳定性仿真方法，其特征在于：所述对望远镜探测系统进行结构仿真建模，将热分析温度场数据映射至结构模型，进行结构热变形分析，得到温度场变化引起的结构变形量，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的星载望远镜探测系统的稳定性仿真方法，其特征在于：所述基于温度场变化引起的结构变形量，进行面型拟合，得到光学元件表面面型变形量，包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的星载望远镜探测系统的稳定性仿真方法，其特征在于：根据变形前视轴与变形后系统视轴变化，计算得到望远镜探测系统的稳定性指标的具体方式为：

9.根据权利要求8所述的星载望远镜探测系统的稳定性仿真方法，其特征在于：所述稳定性指标包括波像差、光程差和相机视轴变化量。

技术总结本发明公开了一种星载望远镜探测系统的稳定性仿真方法，包括对望远镜探测系统所处轨道的热环境和系统本身进行热仿真建模；然后将热仿真数据映射至望远镜探测系统的结构模型，进行结构热变形分析和面型拟合，最终得到望远镜系统的光学元件表面面型变形量；通过将变形量代入望远镜探测系统的原始光学设计模型，进行光线追迹，基于变形前后的视轴变化量，得到望远镜探测系统的稳定性指标。本发明通过热温度场模型、光机结构模型、光学系统参数灵敏度模型之间耦合一体化仿真分析，得到望远镜的稳定性指标。并且针对焦平面进行实体建模，可使得整个望远镜探测系统的仿真指标更加接近真实情况，进一步提高仿真准确性。技术研发人员：张倩,王小勇,白绍竣,卞铂渊,夏晨晖,陈祥,高幸华受保护的技术使用者：北京空间机电研究所技术研发日：技术公布日：2024/7/29