光机热集成分析中数据转换接口研究

　  空间光学仪器通常工作在严酷的环境中,受空间外热流和内部热源影响,仪器的光机结构会产生一定的温度变化,并且可能产生较大的温度梯度,使光学系统产生热光学误差,并使通过光学系统的光波前发生畸变,最终影响成像质量,降低系统的分辨率.因此,必须进行详细严谨的热光学分析,以便有针对性地改进系统的设计,提高系统的热光学性能[1].

光机热集成分析方法能够合理、有效、准确地解决空间光学仪器的工程技术的综合应用问题,是目前对空间光学仪器进行分析的常用方法.光机热集成分析通过数据转换接口程序将热、结构和光学分析程序集成一体,实现对多种载荷作用下光机系统的快速综合性能评估,各个分析模块之间的数据传输是集成分析的关键.

国外作为自动数据转换接口程序的商业软件有SigFit,PC Fringe[2],Matlab工具箱[3].程序功能强大,通用性好,而国内尚没有一个通用的数据转换接口程序,大多数科研机构仍需要独立编制,造成了资源浪费.

1　结构分析结果的数据处理

光学设计与分析软件能够接受的表面变形有两种:一种是基于矢高(sag based)的变形;另一种是基于表面法向(surface normal based)的变形.所谓基于矢高的变形是指变形后的表面相对于初始表面在平行于光轴方向的位移;而基于光学表面法向的变形是指变形后的表面相对于初始表面在初始表面法向方向的位移,如图1所示.

然而通过有限元分析等仿真软件获得的光学表面变形数据是基于笛卡尔坐标系、柱坐标系或球坐标系的,而在外载荷作用下的光学表面通常有垂直于光轴方向的位移,因此不能简单地把光学表面变形与有限元分析得到的Z方向位移等同,而必须通过一定的算法把有限元分析得到的变形数据转化为基于矢高或基于表面法向的变形数据.

1·1　基于矢高的数据处理算法

假设一个光学表面变形前后的面形如图2所示.原始表面上的节点P0在载荷作用下移动到了P1,P1相对于P0在光轴方向和半径方向的位移分别为ΔZ和ΔR.要计算的是平行于光轴方向的节点位移TP1,也就是基于矢高的变形.由图2,节点位移可以由

式(3)是所谓的矢高方程(sag equation).对于一个集成分析的光学系统,它的被分析光学表面的矢高方程应该是已知的,这样就可以利用式(1)把由有限元分析得到的各个节点的变形数据转化为光学软件可以接受的基于矢高的变形数据.

1·2　基于表面法向的数据处理算法

假设一光学表面变形前后的面形如图3所示.

同前面一样,原始表面的一个节点P0在载荷作用下移到了P1,轴向和径向的位移量分别是ΔZ和ΔR.过P1向原始表面作垂线交原始表面于N,NP1就是要计算的垂直于原始表面的位移,也就是基于表面法向的变形.原始表面的表面法向量可以由矢高方程在指定点斜率的负倒数求得,即对式(3)取微分,然后再求负倒数.根据求得的法向量和P1点的坐标,即可求得N点坐标,进而得到NP1.