CN114878145A - 一种基于温度畸变值评价光学传函影响的方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于温度畸变值评价光学传函影响的方法和***，方法包括以下步骤：计算多个温度工况组合下接口节点组的变形量；利用齐次坐标变换法得到接口节点组的刚***移和转角；将坐标变换后的接口节点组的坐标乘以反坐标变换矩阵得到去除刚***移只包含畸变的接口节点变形后的位置；计算接口畸变值，根据接口畸变值评价光学传函影响。本发明计算得到的接口畸变阈值是卫星平台与相机连接接口在温度载荷作用下变形一个量值，通过这一量值可建立光学、机械及热控专业设计之间的联系，使得不同专业设计人员分别进行模块化设计，并为各自模块化设计提供了明确的量化基准。

Description

一种基于温度畸变值评价光学传函影响的方法和***

技术领域

本发明涉及航天遥感成像领域，尤其涉及一种基于温度畸变值评价光学传函影响的方法和***。

背景技术

在现有技术中，为了评价光学遥感器安装接口变形对光学遥感器光学传函的影响，一般采用光学设计—机械设计—热控设计—机械设计—光学设计人员串行设计再验证的方法，这一方法一般采用卫星平台与相机分别设计成型，再通过有限元计算整星温度分布载荷导致的光学遥感器的变形，包括各反射镜位置的偏离及面形精度的下降，进而评价光学遥感器光学传函指标，这种光学、机械、热控设计人员串行设计再验证的方法，大大增加设计周期与成本，造成浪费。

而为节约发射成本及实现多种探测任务，同一颗遥感卫星往往搭载多种有效载荷。各种有效载荷的工作温度各不相同且相互影响。微光遥感器有效载荷是高精度高灵敏度光学仪器，对温度载荷要求近乎苛刻，尤其是其在卫星平台的安装接口受温度载荷而产生的变形极其容易造成微光遥感器各反射镜位置的偏离及面形精度的下降，进而造成光学遥感器光学传递函数的下降，造成成像质量下降。因此发明一种衡量卫星平台变形对遥感器光学传函影响的方法，能让不同专业设计人员有机结合起来进行并行设计，有效降低设计成本，是非常必要的。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术中的缺陷，提出了一种基于温度畸变值评价光学传函影响的方法和***，利用计算得到的接口畸变阈值建立卫星平台与相机传函之间的关系，使得总体与分***双方在设计初期就能进行独立并行设计工作，无需再进行串行的设计-验证迭代，提高效率。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

在第一方面，本发明提供了一种基于温度畸变值评价光学传函影响的方法，所述方法包括以下步骤：

计算多个温度工况组合下接口节点组的变形量；所述接口节点组根据以下方式得到：设微光相机安装底板与卫星平台连接接口具有n个孔，每个孔取m个节点共计nxm个节点作为接口节点组；

利用齐次坐标变换法得到接口节点组的刚***移和转角；

将坐标变换后的接口节点组的坐标乘以反坐标变换矩阵得到去除刚***移只包含畸变的接口节点变形后的位置；

计算接口畸变值，根据所述接口畸变值评价光学传函影响；具体为：接口畸变值为去除刚***移的节点变形位置与初始节点位置的距离均方根值。

作为一种可选的实施例，利用齐次坐标变换法得到接口节点组的刚***移和转角具体包括：

将接口节点组各节点初始坐标W_i＝(x_i,y_i,z_i)^T扩展成W_i ¹＝(x_i,y_i,z_i,1)^T，受温度载荷作用变形后各节点坐标

扩展成

设接口节点组各节点在温度载荷作用下产生的刚***移为(d_x,d_y,d_z)和转角为(θ_x,θ_y,θ_z)，假设接口初始节点W_i ¹经过旋转变换成

再经过平移变换成

其中：

S＝TR(5)

其中，对于小变形情况可进行以下近似:cosθ_x＝cosθ_y＝cosθ_z＝1,sinθ_x＝θ_x,sinθ_y＝θ_y,sinθ_z＝θ_z,同时把二阶以上的小量近似为0,这样式(3)的齐次坐标变换可写成

采用W_i ^1h代替W_i ³，式(6)变换如下：

简写为：

A＝BX (8)

其中，

解超定方程(8)，其解为

X＝(B^TB)^-1B^TA；

其中，在公式(1)-(8)中，i＝1,2,3..nxm。

作为一种可选的实施例，计算接口畸变值包括：

按照公式(8)中方程解出的转角θ_x、θ_y、θ_z及位移d_x、d_y、d_z，由式(2)(4)(5)计算出总的变换矩阵S；

将总的变换矩阵的逆矩阵乘以受温度载荷作用变形后各节点坐标

得到接口节点去除掉刚***移的只发生畸变后的节点坐标

即

至此，接口畸变ε为去除刚***移的节点变形位置与初始节点位置的距离均方根值，即

通过公式(10)计算得到各工况接口节点组对应的接口畸变值。

作为一种可选的实施例，所述微光相机包括第一微光相机和第二微光相机，根据所述接口畸变值评价光学传函影响包括：

采用线性拟合程序拟合接口畸变值与相机最低传函之间的关系，得到第一微光相机最低传函C₁与接口畸变ε之间的函数关系为：

C₁＝-0.31414ε+1.18256，由此确定第一微光相机的接口畸变阈值为1.804mm；

以及第二微光相机最低传函C₁与接口畸变ε之间的函数关系为：

C₂＝-0.44879ε+1.39529，由此确定第二微光相机的接口畸变阈值为1.736mm；

将微光相机安装底板与卫星平台连接接口的最终接口畸变值设为

ε_y＝1.736mm。

作为一种可选的实施例，所述温度工况组合包括卫星平台温度情况与遥感器温度情况的组合；所述卫星平台温度情况包括高温工况、中温工况、低温工况中的任一项；所述遥感器温度情况包括高温工况、中温工况、低温工况中的任一项。

作为一种可选的实施例，所述温度工况组合为以下中的任一项：

卫星平台中温且遥感器低温、卫星平台中温且遥感器中温、卫星平台中温且遥感器高温、卫星平台低温且遥感器中温、卫星平台高温且遥感器中温。

作为一种可选的实施例，计算多个温度工况组合下接口节点组的变形量包括：

基于有限元计算模型计算多个温度工况组合下接口节点组的变形量；所述有限元计算模型包括卫星模型及微光相机整机模型。

作为一种可选的实施例，所述n的数值为28，m的数值为4。

在第二方面，本发明还提供了一种基于温度畸变值评价光学传函影响的***，所述***包括存储有计算机程序的存储介质，所述计算机程序被执行时实现如本发明第一方面所述的方法。

本发明能够取得以下技术效果：

本发明提出了一种基于温度畸变值评价光学传函影响的方法和***，方法包括以下步骤：计算多个温度工况组合下接口节点组的变形量；利用齐次坐标变换法得到接口节点组的刚***移和转角；将坐标变换后的接口节点组的坐标乘以反坐标变换矩阵得到去除刚***移只包含畸变的接口节点变形后的位置；计算接口畸变值，根据接口畸变值评价光学传函影响。本发明计算得到的接口畸变阈值是卫星平台与相机连接接口在温度载荷作用下变形一个量值，通过这一量值可建立光学、机械及热控专业设计之间的联系，使得不同专业设计人员分别进行模块化设计，并为各自模块化设计提供了明确的量化基准。

附图说明

图1是本发明第一种实施例涉及的基于温度畸变值评价光学传函影响的方法的流程图；

图2是本发明第二种实施例涉及的基于温度畸变值评价光学传函影响的方法的流程图；

图3是本发明一实施例涉及的第一温度工况组合下第一微光相机光学传函的变化曲线示意图；

图4是本发明一实施例涉及的第一温度工况组合下第二微光相机光学传函的变化曲线示意图；

图5是本发明一实施例涉及的第二温度工况组合下第一微光相机光学传函的变化曲线示意图；

图6是本发明一实施例涉及的第二温度工况组合下第二微光相机光学传函的变化曲线示意图；

图7是本发明一实施例涉及的第三温度工况组合下第一微光相机光学传函的变化曲线示意图；

图8是本发明一实施例涉及的第三温度工况组合下第二微光相机光学传函的变化曲线示意图；

图9是本发明一实施例涉及的第四温度工况组合下第一微光相机光学传函的变化曲线示意图；

图10是本发明一实施例涉及的第四温度工况组合下第二微光相机光学传函的变化曲线示意图；

图11是本发明一实施例涉及的第五温度工况组合下第一微光相机光学传函的变化曲线示意图；

图12是本发明一实施例涉及的第五温度工况组合下第二微光相机光学传函的变化曲线示意图；

图13是本发明一实施例涉及的第一微光相机各视场最低传函与接口畸变之间的关系的示意图；

图14是本发明一实施例涉及的第二微光相机各视场最低传函与接口畸变之间的关系的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

请参阅图1，为本发明第一种实施例涉及的基于温度畸变值评价光学传函影响的方法的流程图，所述方法包括以下步骤：

首先进入步骤S101计算多个温度工况组合下接口节点组的变形量；

而后进入步骤S102利用齐次坐标变换法得到接口节点组的刚***移和转角；

而后进入步骤S103将坐标变换后的接口节点组的坐标乘以反坐标变换矩阵得到去除刚***移只包含畸变的接口节点变形后的位置；

而后进入步骤S104计算接口畸变值，根据所述接口畸变值评价光学传函影响；

优选的，步骤S101中的所述接口节点组根据以下方式得到：设微光相机安装底板与卫星平台连接接口具有n个孔，每个孔取m个节点共计nxm个节点作为接口节点组。

优选的，步骤S104中的接口畸变值具体为去除刚***移的节点变形位置与初始节点位置的距离均方根值。

本发明利用接口畸变阈值建立卫星平台与相机传函之间的关系，使得总体与分***双方在设计初期就能进行独立并行设计工作，无需再进行串行的设计-验证迭代，提高效率。本发明计算得到的接口畸变阈值是卫星平台与相机连接接口在温度载荷作用下变形一个量值，通过这一量值可建立光学、机械及热控专业设计之间的联系，使得不同专业设计人员分别进行模块化设计，并为各自模块化设计提供了明确的量化基准。

如图2所示，本申请的方法主要包括有限元计算不同温度载荷条件下的光学遥感器变形，变形对光学传函影响复算，接口畸变定义，接口畸变阈值拟合等步骤。以下针对各个步骤详细展开进行论述：

在某些实施例中，利用齐次坐标变换法得到接口节点组的刚***移和转角具体包括：

将接口节点组各节点初始坐标W_i＝(x_i,y_i,z_i)^T扩展成W_i ¹＝(x_i,y_i,z_i,1)^T，受温度载荷作用变形后各节点坐标

扩展成

设接口节点组各节点在温度载荷作用下产生的刚***移为(d_x,d_y,d_z)和转角为(θ_x,θ_y,θ_z)，假设接口初始节点W_i ¹经过旋转变换成

再经过平移变换成

其中：

S＝TR (5)

总的变换矩阵S是通过旋转变换矩阵与平移变换矩阵相乘得到，由于转角一般为较小量，可近似看成cosθ_x＝cosθ_y＝cosθ_z＝1,sinθ_x＝θ_x,sinθ_y＝θ_y,sinθ_z＝θ_z,同时把二阶以上的小量近似为0,这样式(3)的齐次坐标变换可写成

采用W_i ^1h代替W_i ³，式(6)变换如下：

简写为：

A＝BX (8)

其中，

解超定方程(8)，其解为

X＝(B^TB)^-1B^TA；

其中，在公式(1)-(8)中，i＝1,2,3..nxm。

优选的，所述n的数值为28，m的数值为4。nxm的数值为112。本发明中微光相机安装底板与卫星平台连接接口的28个孔上每孔取4个节点共112个节点作为接口节点组，计算多个温度工况下这组接口节点的变形量。

在某些实施例中，计算接口畸变值包括：

按照公式(8)中方程解出的转角θ_x、θ_y、θ_z及位移d_x、d_y、d_z，由式(2)(4)(5)计算出总的变换矩阵S；

将总的变换矩阵的逆矩阵乘以受温度载荷作用变形后各节点坐标

得到接口节点去除掉刚***移的只发生畸变后的节点坐标

即

至此，接口畸变ε为去除刚***移的节点变形位置与初始节点位置的距离均方根值，即

通过公式(10)计算得到各工况接口节点组对应的接口畸变值。

在某些实施例中，所述微光相机包括第一微光相机和第二微光相机，根据所述接口畸变值评价光学传函影响包括：

如图13所示，采用线性拟合程序拟合接口畸变值与相机最低传函之间的关系，得到第一微光相机最低传函C₁与接口畸变ε之间的函数关系为：

C₁＝-0.31414ε+1.18256，由此确定第一微光相机的接口畸变阈值为1.804mm；

以及如图14所示，第二微光相机最低传函C₁与接口畸变ε之间的函数关系为：

C₂＝-0.44879ε+1.39529，由此确定第二微光相机的接口畸变阈值为1.736mm；

将微光相机安装底板与卫星平台连接接口的最终接口畸变值设为ε_y＝1.736mm，即卫星平台相机与接口节点畸变值不应大于ε_y才能不影响相机成像质量。

在某些实施例中，所述温度工况组合包括卫星平台温度情况与遥感器温度情况的组合；所述卫星平台温度情况包括高温工况、中温工况、低温工况中的任一项；所述遥感器温度情况包括高温工况、中温工况、低温工况中的任一项。

优选的，所述温度工况组合为以下中的任一项：卫星平台中温且遥感器低温、卫星平台中温且遥感器中温、卫星平台中温且遥感器高温、卫星平台低温且遥感器中温、卫星平台高温且遥感器中温。在有限元计算时，可以选出5种具有代表性的温度工况组合作为微光遥感器外部温度分布载荷，分别为工况A、工况B、工况C、工况D、工况E，详见下方表1所示：

表1微光遥感器5个外部温度分布工况

在某些实施例中，计算多个温度工况组合下接口节点组的变形量包括：基于有限元计算模型计算多个温度工况组合下接口节点组的变形量；所述有限元计算模型包括卫星模型及微光相机整机模型。

其中，微光相机通过12个M6螺纹孔与卫星平台进行连接，有限元模型中采用mpc连接模拟螺钉连接。

通过有限元软件Patran/Nastran计算表1中各载荷工况得到光学遥感器各反射镜组件及焦面的位置变化及面形精度详见表2～表6。表1至表6如下：

表2工况A微光相机各反射镜及焦面位置及面形变化

表3工况B微光相机各反射镜及焦面位置及面形变化

表4工况C微光相机各反射镜及焦面位置及面形变化

表5工况D微光相机各反射镜及焦面位置及面形变化

表6工况E微光相机各反射镜及焦面位置及面形变化

将表2～表6中的数据代入到光学设计软件中，计算温度变形对光学遥感器光学传函的影响，详见图3-图13所示，其中各视场最低传函详见下方表7：

表7各工况相机各视场最低传函与相机接口畸变

在第二方面，本发明还提供了一种存储介质，存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一方面的方法步骤。

在第三方面，本发明还提供了一种基于温度畸变值评价光学传函影响的***，所述***包括存储有计算机程序的存储介质，所述计算机程序被执行时实现如本发明第一方面所述的方法。

所述***可以是一台电子设备，包括处理器和存储介质，该存储介质为如第二方面的存储介质；处理器用于执行存储介质102中存储的计算机程序以实现如第一方面的方法步骤。

在本实施例中，电子设备为计算机设备，包括但不限于：个人计算机、服务器、通用计算机、专用计算机、网络设备、嵌入式设备、可编程设备、智能移动终端、智能家居设备、穿戴式智能设备、车载智能设备等。存储介质包括但不限于：RAM、ROM、磁碟、磁带、光盘、闪存、U盘、移动硬盘、存储卡、记忆棒、网络服务器存储、网络云存储等。处理器包括但不限于CPU(中央处理器)、GPU(图像处理器)、MCU(微处理器)等。

本发明利用接口畸变阈值建立了卫星平台与相机传函之间的关系，关键点和保护点如下：利用齐次坐标变换及法方程法求得接口节点组的刚***移的最小二乘解，X＝(B^TB)^-1B^TA。刚***移包括平移与旋转量，旋转变换与平移变换相乘得到总的变换矩阵，S＝TR，用总的变换矩阵的逆矩阵乘以受温度载荷作用变形后各节点坐标可得到接口节点去除掉刚***移的只发生畸变后的节点坐标，W_i ^qh＝S^-1W_i ^1h，进而接口畸变ε为去除刚***移的节点变形位置与初始节点位置的距离均方根值，即

再利用线性拟合求出相机传函与接口畸变之间的关系，求出相机传函不低于下限值的接口畸变阈值，此阈值可作为卫星平台热设计的要求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于温度畸变值评价光学传函影响的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

计算多个温度工况组合下接口节点组的变形量；所述接口节点组根据以下方式得到：设微光相机安装底板与卫星平台连接接口具有n个孔，每个孔取m个节点共计nxm个节点作为接口节点组；

利用齐次坐标变换法得到接口节点组的刚***移和转角；

将坐标变换后的接口节点组的坐标乘以反坐标变换矩阵得到去除刚***移只包含畸变的接口节点变形后的位置；

计算接口畸变值，根据所述接口畸变值评价光学传函影响；具体为：接口畸变值为去除刚***移的节点变形位置与初始节点位置的距离均方根值。

2.如权利要求1所述的基于温度畸变值评价光学传函影响的方法，其特征在于，利用齐次坐标变换法得到接口节点组的刚***移和转角具体包括：

将接口节点组各节点初始坐标W_i＝(x_i,y_i,z_i)^T扩展成W_i ¹＝(x_i,y_i,z_i,1)^T，受温度载荷作用变形后各节点坐标

扩展成

设接口节点组各节点在温度载荷作用下产生的刚***移为(d_x,d_y,d_z)和转角为(θ_x,θ_y,θ_z)，假设接口初始节点

经过旋转变换成

再经过平移变换成

其中：

S＝TR (5)

其中，对于小变形情况可进行以下近似：cosθ_x＝cosθ_y＝cosθ_z＝1,sinθ_x＝θ_x,sinθ_y＝θ_y,sinθ_z＝θ_z,同时把二阶以上的小量近似为0,这样式(3)的齐次坐标变换可写成

采用W_i ^1h代替W_i ³，式(6)变换如下：

简写为：

A＝BX (8)

其中，

解超定方程(8)，其解为

X＝(B^TB)^-1B^TA；

其中，在公式(1)-(8)中，i＝1,2,3..nxm。

3.如权利要求2所述的基于温度畸变值评价光学传函影响的方法，其特征在于，计算接口畸变值包括：

按照公式(8)中方程解出的转角θ_x、θ_y、θ_z及位移d_x、d_y、d_z，由式(2)(4)(5)计算出总的变换矩阵S；

将总的变换矩阵的逆矩阵乘以受温度载荷作用变形后各节点坐标

得到接口节点去除掉刚***移的只发生畸变后的节点坐标

即

至此，接口畸变ε为去除刚***移的节点变形位置与初始节点位置的距离均方根值，即

通过公式(10)计算得到各工况接口节点组对应的接口畸变值。

4.如权利要求1所述的基于温度畸变值评价光学传函影响的方法，其特征在于，所述微光相机包括第一微光相机和第二微光相机，根据所述接口畸变值评价光学传函影响包括：

采用线性拟合程序拟合接口畸变值与相机最低传函之间的关系，得到第一微光相机最低传函C₁与接口畸变ε之间的函数关系为：

C₁＝-0.31414ε+1.18256，由此确定第一微光相机的接口畸变阈值为1.804mm；

以及第二微光相机最低传函C₁与接口畸变ε之间的函数关系为：

C₂＝-0.44879ε+1.39529，由此确定第二微光相机的接口畸变阈值为1.736mm；

将微光相机安装底板与卫星平台连接接口的最终接口畸变值设为

ε_y＝1.736mm。

5.如权利要求1所述的基于温度畸变值评价光学传函影响的方法，其特征在于，所述温度工况组合包括卫星平台温度情况与遥感器温度情况的组合；所述卫星平台温度情况包括高温工况、中温工况、低温工况中的任一项；所述遥感器温度情况包括高温工况、中温工况、低温工况中的任一项。

6.如权利要求5所述的基于温度畸变值评价光学传函影响的方法，其特征在于，所述温度工况组合为以下中的任一项：

卫星平台中温且遥感器低温、卫星平台中温且遥感器中温、卫星平台中温且遥感器高温、卫星平台低温且遥感器中温、卫星平台高温且遥感器中温。

7.如权利要求1或5或6所述的基于温度畸变值评价光学传函影响的方法，其特征在于，计算多个温度工况组合下接口节点组的变形量包括：

基于有限元计算模型计算多个温度工况组合下接口节点组的变形量；所述有限元计算模型包括卫星模型及微光相机整机模型。

8.如权利要求1-4任一项所述的基于温度畸变值评价光学传函影响的方法，其特征在于，所述n的数值为28，m的数值为4。

9.一种基于温度畸变值评价光学传函影响的***，其特征在于，所述***包括存储有计算机程序的存储介质，所述计算机程序被执行时实现如权利要求1至8任一项所述的方法。

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