基于全频段光学加工面形误差系统链路像质仿真分析方法
技术领域
本发明涉及光学系统集成仿真技术领域，具体涉及一种基于全频段光学加工面形误差系统链路像质仿真分析方法。
背景技术
天文学一直是先进技术发展的重要推动力，如高灵敏探测器、高精度传感器以及超运计算机。观测微观世界和太空需要精密的光学设备。光学系统链路仿真方法基于成像物理机制对光学系统成像质量进行计算，用于分析研究各误差因素对光学像质的影响。相比实验测试分析，准确的仿真可有效缩短设备研制周期，节约制造成本。光学元件加工面形误差是影响光学系统成像质量的关键因素之一。全频段加工面形误差对天文学中椭率、点扩散函数能量集中度等参数的影响分析还未见报道。通常，根据频段将加工面形误差划分成低、中、高频三段。建立全频段加工面形误差仿真模型，并将误差因素加载至系统链路中，分析各频段加工面形误差对高分辨率成像系统点扩散函数能量角分辨率、椭率等参数的影响。同时，优化光学元件镜面加工工艺参数，进一步提升光学系统成像质量。
发明内容
本发明提供一种基于全频段光学加工面形误差系统链路像质仿真分析方法，分析光学元件加工面形误差对光学系统成像质量的影响，为优化镜面加工工艺参数提供理论基础。
基于全频段光学加工面形误差系统链路像质仿真分析方法，该方法由以下步骤实现：
本发明的有益效果：本发明所述的基于全频段光学加工面形误差系统链路像质仿真分析方法，根据用户指标要求，设计光学系统结构，建立光学系统链路模型，将误差因素划分为镜面加工面形误差、系统温度场变化误差、系统重力场变化误差和装调误差四项。
基于实测光学元件加工面形数据，建立镜面加工面形低频误差仿真模型和建立镜面加工面形中、高频误差仿真模型。
将低频和中高频加工面形误差仿真数据融合，建立全频段光学元件加工面形误差仿真模型，并检测全频段光学元件加工面形误差仿真模型准确性。
完成数据准确性检验后，将加工面形误差数据加载至光学链路仿真系统中进行像质分析。在不同误差因素下，分析加工面形误差对光学系统成像质量的影响。根据使用需求预定指标优化光学元件加工工艺参数。
本发明所述的基于全频段光学加工面形误差系统链路像质仿真分析方法，通过统计实际加工面形数据分布特点，建立光学元件全频段面形误差仿真模型，分析优化镜面加工面形中影响光学系统成像质量的关键参数，进而提升光学系统成像质量水平。
本发明所述的仿真分析方法，设定合理的数据采样间隔，为建立高精度、快运算的光学系统仿真链路系统奠定基础；分析光学元件加工面形误差对光学系统成像质量的影响，为优化镜面加工工艺参数提供理论基础。
本发明所述的仿真分析方法，相比实验测试分析，准确的仿真可有效缩短设备研制周期，节约制造成本。采用系统链路仿真分析方法可实现多误差因素集成后，综合评价光学成像水平，便于寻找影响系统像质的关键因素。
附图说明
图1为本发明所述的基于全频段光学加工面形误差系统链路像质仿真分析方法的流程图；
图2为本发明所述的基于全频段光学加工面形误差系统链路像质仿真分析方法中光学元件加工面形低频误差仿真结果示意图；
图3为本发明所述的基于全频段光学加工面形误差系统链路像质仿真分析方法中光学元件加工面形中高频误差仿真结果示意图；
图4为本发明所述的基于全频段光学加工面形误差系统链路像质仿真分析方法中光学元件加工面形全频段误差仿真结果示意图；
图5为本发明所述的基于全频段光学加工面形误差系统链路像质仿真分析方法中光学元件加工面形中高频误差仿真数据分布统计结果示意图；
图6为本发明所述的基于全频段光学加工面形误差系统链路像质仿真分析方法中光学元件加工面形全频段误差仿真数据功率谱密度统计结果示意图；
图7为本发明所述的基于全频段光学加工面形误差系统链路像质仿真分析方法中光学元件加工面形全频段误差实测数据功率谱密度统计结果示意图；
图8为本发明点扩散函数80％能量集中度随加工面形采样数量变化趋势示意图；
图9为光学系统仿真链路初始系统中心视场点扩散函数俯视图；
图10为光学系统仿真链路加载光学元件加工面形误差模型后中心视场点扩散函数俯视图；
图11为光学系统仿真链路加载全形误差模型后中心视场点扩散函数俯视图。
具体实施方式
结合图1至图11说明本实施方式，基于全频段光学加工面形误差系统链路像质仿真分析方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、完成初始光学系统设计；
根据使用需求完成初始光学系统设计，分配光学、机械、电学等参数指标；随后优化光学系统整机模型，使系统各项参数满足指标要求。
步骤二、建立加工面形低频误差仿真模型；
根据以往光学元件加工面形数据，开展了加工面形的仿真模拟。低频部分通过前37项Zernike多项式拟合得到。
步骤三、建立加工面形中高频误差仿真模型；
统计面形误差函数分布特性可知，中高频面形误差满足正态分布模型，首先，采样函数模拟器生成具有正态分布的特点随机矩阵q，矩阵q期望为0，标准差为1；然后通过滤波函数对随机矩阵进行滤波，得到中高频面形误差分布函数，
其中，p(x,y)表示滤波函数，q(x,y)表示随机矩阵,D(x,y)表示中高频面形误差分布函数。滤波函数通过自相关函数计算得到，
其中，A(x,y)表示表面自相关函数。已知误差模拟表面的功率谱密度函数与自相关函数满足傅里叶变换关系，
A(x,y)＝∫∫PSD(X,Y)e-i(Xx+Yy)dXdY⑶
其中，PSD(X,Y)表示功率谱密度函数。通常，中高频误差表面功率谱密度函数可通过标准差以及相关长度的函数关系进行描述，
其中，σ表示面形仿真数据标准差，lx、ly分别表示面形仿真数据在x、y方向上的相关长度。设定标准差和相关长度参数，根据(1)-(4)可计算得到中高频加工面形误差函数。
步骤四、合成加工面形全频段误差仿真模型；
将采用zernike多项式拟合得到的低频误差与中高频误差进行数据融合，获取全频段加工面形误差分布函数。随后复算全频段加工面形误差仿真数据的功率谱密度函数，计算结果与加工完成的镜面测试数据趋势相同，验证了加工面形仿真模拟的正确性。
步骤五、系统仿真链路加载加工面形误差参数，设定采样数量；
合理的采样数量会进一步提高运算效率，节约运算资源，因此需要选定加工面形仿真数据采样数量。将采样数量分别为51×51至1601×1601的6组数据加载至光学系统仿真链路中。分析中心视场点扩散函数80％能量集中度随采样数量的变化情况，当采样数量达到401×401时，函数曲线趋于稳定。因此，选用函数稳定区间内最小采样数401×401进行采样。其他的光学系统可根据上述方法确定仿真加工面形的采样数量。
步骤六、分析加工面形误差对光学系统成像质量的影响；
建立完整加工面形误差仿真模型后，将低频和中高频误差分别加载至链路系统，分析频段误差对光学系统成像质量的影响。
步骤七、分析影响像质的关键参数；
将不同的误差因素逐一或全部加载至光学系统仿真链路中，分析各项误差因素对光学像质的影响，寻找并优化影响光学成像质量的关键参数。
本实施方式中，光学系统仿真链路像质分析流程如图1所示，误差因素主要分为热、重力、加工制造和整机装调四项误差，分别用于计算温度变化、1g重力变化、加工面形误差和装调误差对光学系统像质的影响。随后建立光学元件加工面形仿真模型。先建立低频面形误差仿真模型，面形分布如图2所示；然后建立中高频面形误差仿真模型，面形分布如图3所示；再将低、中高频面形误差仿真数据融合，建立全频段加工面形误差仿真模型，面形分布如图4所示；随后检验误差面形仿真数据精准度，中高频面形误差分布应满足正态分布，统计结果如图5所示；全频段加工面形误差仿真和实测的功率谱密度函数随频率变化呈现相同的线性递减趋势，统计结果如图6-7所示；将加工面形误差仿真模型加载至初始链路系统，确定最佳采样数量，如图8所示；分析评价加工面形误差对光学系统成像质量的影响，初始光学系统、加载加工面形误差模型系统以及全误差模型系统的中心视场点扩散函数，如图9-11所示。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
