兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (3): 240278-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0278
薛奋琪1,2, 巩浩1,2,3,*(), 刘检华1,2,3, 朱荣全4, 谢惟楚1, 雷静婷1
收稿日期:
2024-04-12
上线日期:
2025-03-26
通讯作者:
基金资助:
XUE Fenqi1,2, GONG Hao1,2,3,*(), LIU Jianhua1,2,3, ZHU Rongquan4, XIE Weichu1, LEI Jingting1
Received:
2024-04-12
Online:
2025-03-26
摘要:
两反式光学系统广泛应用于空间遥感、探测制导等领域,装配是影响光学系统成像质量的关键环节,当前各种装配误差与光学系统成像质量之间的关联关系缺少系统研究,无法为光学系统实时装调提供支撑。提出两反光学系统装配与成像的联合仿真方法。采用有限元仿真方法获得镜面面形误差,利用Zernike多项式对其进行精确拟合,通过光学产品设计与分析软件对包含Zernike多项式的镜面变形误差和装配位姿偏差进行光路成像仿真,以能量集中度作为成像质量定量评价指标,获得不同装配误差条件下的光学系统成像质量数据。建立包含局部和全局混合核函数的支持向量回归(Support Vector Regression,SVR)代理模型,对装配误差和成像质量之间的关联关系进行精确拟合。研究结果表明:与单一核函数/无核函数的SVR模型相比,所建立的混合核函数SVR代理模型具有最小的成像质量预测误差(平均预测误差仅有6.51%);所提装配与成像联合仿真方法和混合核函数SVR代理模型,能够为不同装配误差条件下的光学系统实时装调提供辅助支撑。
中图分类号:
薛奋琪, 巩浩, 刘检华, 朱荣全, 谢惟楚, 雷静婷. 两反式光学系统光机集成仿真与成像质量预测代理模型构建[J]. 兵工学报, 2025, 46(3): 240278-.
XUE Fenqi, GONG Hao, LIU Jianhua, ZHU Rongquan, XIE Weichu, LEI Jingting. Integrated Optomechanical Simulation and Surrogate Model Construction for Imaging Quality Prediction of Two-mirror Optical System[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(3): 240278-.
项 | n | m | 多项式表达式 | 像差 |
---|---|---|---|---|
Z1 | 0 | 0 | 1 | 偏移 |
Z2 | 1 | 1 | ρ·cosθ | 倾斜-x轴 |
Z3 | 1 | 1 | ρ·sinθ | 倾斜-y轴 |
Z4 | 2 | 2 | ρ2·cos(2θ) | 1阶像散-x轴 |
Z5 | 2 | 0 | 2ρ2-1 | 离焦 |
Z6 | 2 | 2 | ρ2·sin(2θ) | 1阶像散-y轴 |
Z7 | 3 | 3 | ρ3·cos(3θ) | 1阶三叶草像差-x轴 |
Z8 | 3 | 1 | (3ρ3-2ρ)·cosθ | 1阶彗差-x轴 |
Z9 | 3 | 1 | (3ρ3-2ρ)·sinθ | 1阶彗差-y轴 |
Z10 | 3 | 3 | ρ3·sin(3θ) | 1阶三叶草像差-y轴 |
Z11 | 4 | 4 | ρ4·cos(4θ) | 1阶四叶草像差-x轴 |
Z12 | 4 | 2 | (4ρ4-3ρ2)·cos(2θ) | 2阶像散-x轴 |
Z13 | 4 | 0 | 6ρ4-6ρ2+1 | 1阶球差 |
Z14 | 4 | 2 | (4ρ4-3ρ2)·sin(2θ) | 2阶像散-y轴 |
Z15 | 4 | 4 | ρ4·sin(4θ) | 1阶四叶草像差-y轴 |
Z16 | 5 | 5 | ρ5·cos(5θ) | 1阶五叶草像差-x轴 |
表1 标准Zernike多项式前16项及其含义
Table 1 The first 16 terms of standard Zernike polynomials and their meanings
项 | n | m | 多项式表达式 | 像差 |
---|---|---|---|---|
Z1 | 0 | 0 | 1 | 偏移 |
Z2 | 1 | 1 | ρ·cosθ | 倾斜-x轴 |
Z3 | 1 | 1 | ρ·sinθ | 倾斜-y轴 |
Z4 | 2 | 2 | ρ2·cos(2θ) | 1阶像散-x轴 |
Z5 | 2 | 0 | 2ρ2-1 | 离焦 |
Z6 | 2 | 2 | ρ2·sin(2θ) | 1阶像散-y轴 |
Z7 | 3 | 3 | ρ3·cos(3θ) | 1阶三叶草像差-x轴 |
Z8 | 3 | 1 | (3ρ3-2ρ)·cosθ | 1阶彗差-x轴 |
Z9 | 3 | 1 | (3ρ3-2ρ)·sinθ | 1阶彗差-y轴 |
Z10 | 3 | 3 | ρ3·sin(3θ) | 1阶三叶草像差-y轴 |
Z11 | 4 | 4 | ρ4·cos(4θ) | 1阶四叶草像差-x轴 |
Z12 | 4 | 2 | (4ρ4-3ρ2)·cos(2θ) | 2阶像散-x轴 |
Z13 | 4 | 0 | 6ρ4-6ρ2+1 | 1阶球差 |
Z14 | 4 | 2 | (4ρ4-3ρ2)·sin(2θ) | 2阶像散-y轴 |
Z15 | 4 | 4 | ρ4·sin(4θ) | 1阶四叶草像差-y轴 |
Z16 | 5 | 5 | ρ5·cos(5θ) | 1阶五叶草像差-x轴 |
材料 | 密度/(kg·m-3) | 弹性模量/GPa | 泊松比 |
---|---|---|---|
2A12 | 2850 | 74.2 | 0.36 |
6061T6 | 2700 | 69 | 0.33 |
结构钢 | 7750 | 193 | 0.31 |
表2 有限元模型材料属性
Table 2 Material properties of finite element model
材料 | 密度/(kg·m-3) | 弹性模量/GPa | 泊松比 |
---|---|---|---|
2A12 | 2850 | 74.2 | 0.36 |
6061T6 | 2700 | 69 | 0.33 |
结构钢 | 7750 | 193 | 0.31 |
编号 | 网格类型 | 节点数量 | 网格数量 | 最小单元 尺寸/mm |
---|---|---|---|---|
Mesh1 | 六面体网格 | 61850 | 57600 | 约0.14 |
Mesh2 | 四面体网格 | 5747 | 24911 | 0.30 |
Mesh3 | 四面体网格 | 4639 | 20188 | 0.40 |
Mesh4 | 四面体网格 | 3699 | 15552 | 0.50 |
Mesh5 | 四面体网格 | 3491 | 15023 | 0.60 |
Mesh6 | 四面体网格 | 3178 | 13135 | 0.65 |
表3 6种不同的螺栓头网格划分方式
Table 3 Six different ways to mesh bolt head
编号 | 网格类型 | 节点数量 | 网格数量 | 最小单元 尺寸/mm |
---|---|---|---|---|
Mesh1 | 六面体网格 | 61850 | 57600 | 约0.14 |
Mesh2 | 四面体网格 | 5747 | 24911 | 0.30 |
Mesh3 | 四面体网格 | 4639 | 20188 | 0.40 |
Mesh4 | 四面体网格 | 3699 | 15552 | 0.50 |
Mesh5 | 四面体网格 | 3491 | 15023 | 0.60 |
Mesh6 | 四面体网格 | 3178 | 13135 | 0.65 |
镜头 | 曲率半 径/mm | 半直 径/mm | 圆锥系数 | 4阶项 | 6阶项 | 8阶项 | 10阶项 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
主镜 | -107.771 | 43 | -1 | - | - | - | - |
次镜 | -57.815 | 13.2 | 0 | 4.644× 10-6 | -3.428× 10-9 | 3.799× 10-12 | -3.355× 10-15 |
表4 主次镜设计参数
Table 4 Design parameters of primary and secondary mirrors
镜头 | 曲率半 径/mm | 半直 径/mm | 圆锥系数 | 4阶项 | 6阶项 | 8阶项 | 10阶项 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
主镜 | -107.771 | 43 | -1 | - | - | - | - |
次镜 | -57.815 | 13.2 | 0 | 4.644× 10-6 | -3.428× 10-9 | 3.799× 10-12 | -3.355× 10-15 |
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doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2021.12.011 |
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