本发明属于光学遥感相机集成仿真领域，具体涉及一种光学遥感相机的微振动集成仿真分析方法。
背景技术：
随着天文观测和军民对地观测需求的日益增加，光学遥感相机正在朝着大口径、大视场和高像质的方向发展，这类相机往往具有凝视观测时间长、曝光时间久、稳像精度要求高等特点，为了保证在工作状态下相机的成像质量满足要求，需要考虑相机在受到振源构成复杂的空间扰动时光学系统的成像性能，而微振动仿真分析是一个很好的评估验证手段。
光轴指向稳定度(los)是光学系统像质评价的一个重要方面，直接反映了相机成像的稳定性。光学遥感相机在轨工作时，会不断受到宽频段的内外部扰动影响，分析微振动作用下光学系统的los值，不但可以反映光学遥感相机的振动抑制和稳像控制效果，还可以体现光学系统设计的优劣。
国际上光学遥感相机的微振动集成仿真分析大多采用频响分析的方法，当振源数目较多时，需要进行多次重复性的频响分析工作，计算效率较低，并且随着光学遥感相机结构的复杂性越来越大，频响分析的计算量也会对计算机的性能要求非常高。因此，有必要提出一种能够考虑不同学科之间的耦合影响，且更为高效地获取光学系统los值的微振动集成仿真分析方法。
技术实现要素：
本发明要解决现有技术中微振动集成仿真分析方法不但计算效率低，而且在计算量上还要求光机集成模型的网格和节点数较少的技术问题，提供了一种光学遥感相机的微振动集成仿真分析方法，该方法基于光机集成模型的模态信息，采用状态空间法求得传递函数，进而可计算出los值，能够更为高效、准确地评价光学遥感相机在受到各种环境扰动时的成像质量。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
本发明提供一种光学遥感相机的微振动集成仿真分析方法，包括以下步骤：
步骤(1)、在msc.patran中建立光学遥感相机结构的有限元模型，在sigfit中拟合得到各个镜子的刚体位移mpc，进一步利用光学灵敏度矩阵建立光学模型，将其集成到光学遥感相机结构有限元模型当中得到光学遥感相机的光机集成模型；
步骤(2)、利用理论计算法或者有限元分析法对光机集成模型进行los刚体检查；即光学遥感相机是否满足平动时对无限远处物体像点的位置没有影响，倾斜时会使物体产生一个和相机倾斜角度相等的角度漂移；
步骤(3)、如果光机集成模型的los刚体检查合格，利用msc.nastran在自由漂浮状态下对其进行模态分析，获取结构的频率和振型信息；如果光机集成模型的los刚体检查不合格，则转到步骤(1)；
步骤(4)、在matlab中基于状态空间法，利用已得的模态信息，建立状态空间模型，计算得到结构的传递函数；
步骤(5)、将微振动的载荷输入以功率谱密度(psd)的形式描述，进一步利用载荷输入和传递函数计算得到光学遥感相机在受到各个振源扰动时的los值。
在上述技术方案中，步骤(1)具体为：
在msc.patran中建立光学遥感相机结构的有限元模型，在光学软件sigfit中利用各个镜子的曲率半径、镜面材料属性、分析坐标系编号信息定位到各个镜子的镜面，拟合得到各个镜子的刚体位移mpc，进一步利用光学灵敏度矩阵建立光学模型，将光学模型以bdf文件的形式集成到光学遥感相机结构有限元模型当中，得到光学遥感相机的光机集成模型。
在上述技术方案中，步骤(2)中所述理论计算法是先假定相机整体沿光学坐标系任一轴向平移单位长度，代入光学灵敏度矩阵，计算出像点是否无变化，再假定相机整体绕光学坐标系任一轴向旋转单位角度，代入光学灵敏度矩阵，计算出像点的los值是否也为单位角度。
在上述技术方案中，步骤(2)中所述有限元分析法是在光机集成模型中，对模型施加平动或转动位移，利用msc.nastran计算出相应工况下的像点位移，与理论计算法相类似地验证像点的变化是否合理。
在上述技术方案中，步骤(3)中模态分析的频率上限应为所有振源扰动频段上限最大值的二倍。
在上述技术方案中，步骤(4)具体为：
在matlab中建立状态空间模型，多输入-多输出系统状态空间的表达式如下：
y＝cx du
其中，a为系统矩阵，表示系统各个状态变量之间的关联情况；b为输入矩阵，又称控制矩阵，表示系统输入对状态变量变化的影响；c为输出矩阵，表示状态变量和系统输出之间的作用关系；d为直连矩阵，表示系统输入对系统输出的直接影响，许多系统不存在此直接关系，通常为零矩阵；四个矩阵的计算方法如下：
d＝zeros(fout,fin)
其中，nm为提取的模态阶数，fin为系统输入的自由度数，fout为系统输出的自由度数，且ω、z、
βu＝((in out)×6,fin)
βy＝(fout,(in out)×6)
其中，wi为角频率，ξi为阻尼比，in为系统输入点的个数，out为系统输出点的个数；状态空间模型建立完成之后，便可求得系统输入与系统输出之间的传递函数。
在上述技术方案中，步骤(5)具体包括以下步骤：
将微振动的载荷输入以功率谱密度的形式描述，利用计算得到的位移响应值和光学原理图可知：
便可得到微振动作用下光学遥感相机的los响应曲线，该曲线与x轴所围成图形的面积a开平方即可得到响应在规定频率段内的均方根值rms，即1σ值，进一步可求得3σ值，具体公式如下：
3σ＝3×1σ
其中，1σ值代表响应幅值在68.26％的概率上小于1σ；3σ值代表响应幅值在99.73％的概率上小于3σ。
本发明的有益效果是：
1、本发明中光学遥感相机光机集成模型的建立涉及到了光学和机械两个学科，相较于以往的单学科分析更能考虑各个学科间的耦合因素，得到的仿真分析结果也更为精准；
2、本发明中利用状态空间法进行微振动集成仿真分析，相较于以往的频响分析法，不但计算效率得到提升，而且不会因为计算量问题而对计算机的性能提出过高要求；
3、利用本发明计算得到的los值，一方面可以作为光学遥感相机振动抑制和稳像控制系统工作效果的评判依据，另一方面也可用来评价光学系统成像质量的好坏，对光学系统的设计具有很强的指导意义。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的光学遥感相机的微振动集成仿真分析方法的流程图；
图2是光学灵敏度矩阵；
图3是光学遥感相机光机集成模型的示意图；
图4是psd响应计算原理图；
图5是los值计算示意图；
其中：
图2中m1—主镜，m2—次镜，ip—像面；
图3中1—主镜，2—次镜，3—像点；
图5中feff为光学系统焦距，δimage为像点在像面上的位移。
具体实施方式
如图1所示，一种光学遥感相机的微振动集成仿真分析方法，具体过程如下：
一、在msc.patran中建立光学遥感相机结构的有限元模型，在光学软件sigfit中利用各个镜子的曲率半径、镜面材料属性、分析坐标系编号等信息定位到各个镜子的镜面，拟合得到各个镜子的刚体位移mpc，进一步利用图2中的光学灵敏度矩阵建立光学模型，将光学模型以bdf文件的形式集成到有限元模型当中，得到光学遥感相机的光机集成模型，参见图3；
二、利用理论计算法或者有限元分析法对光机集成模型进行los刚体检查，理论计算法是先假定相机整体沿光学坐标系任一轴向平移单位长度，代入光学灵敏度矩阵，计算出像点是否无变化，再假定相机整体绕光学坐标系任一轴向旋转单位角度，代入光学灵敏度矩阵，计算出像点的los值是否也为单位角度；有限元分析法即在光机集成模型中，对模型施加平动或转动位移，利用msc.nastran计算出相应工况下的像点位移，与理论计算法相类似地验证像点的变化是否合理；
三、如果光机集成模型的los刚体检查合格，使用msc.nastran在自由漂浮状态下，采用lanczos法对其进行模态分析，获取结构的频率和振型信息，其中，模态分析的频率上限应为所有振源扰动频段上限最大值的二倍；如果光机集成模型的los刚体检查不合格，则转到步骤(1)；
四、在matlab中建立状态空间模型，多输入-多输出系统状态空间的表达式如下：
y＝cx du
其中，a为系统矩阵，表示系统各个状态变量之间的关联情况；b为输入矩阵，又称控制矩阵，表示系统输入对状态变量变化的影响；c为输出矩阵，表示状态变量和系统输出之间的作用关系；d为直连矩阵，表示系统输入对系统输出的直接影响，许多系统不存在此直接关系，通常为零矩阵；四个矩阵的计算方法如下：
d＝zeros(fout,fin)
其中，nm为提取的模态阶数，fin为系统输入的自由度数，fout为系统输出的自由度数，且ω、z、
βu＝((in out)×6,fin)
βy＝(fout,(in out)×6)
其中，wi为角频率，ξi为阻尼比，in为系统输入点的个数，out为系统输出点的个数；状态空间模型建立完成之后，便可求得系统输入与系统输出之间的传递函数；
五、将微振动的载荷输入以功率谱密度(psd)的形式描述，利用如图4所示的计算方法得到位移响应值，并且根据图5所示的光学原理图可知：
便可得到微振动作用下光学遥感相机的los响应曲线，该曲线与x轴(频率)所围成图形的面积a开平方即可得到响应在规定频率段内的均方根值(rms)，即1σ值，进一步可求得3σ值，具体公式如下：
3σ＝3×1σ
其中，1σ值代表响应幅值在68.26％的概率上小于1σ；3σ值代表响应幅值在99.73％的概率上小于3σ。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
1.一种光学遥感相机的微振动集成仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)、在msc.patran中建立光学遥感相机结构的有限元模型，在sigfit中拟合得到各个镜子的刚体位移mpc，进一步利用光学灵敏度矩阵建立光学模型，将其集成到光学遥感相机结构有限元模型当中得到光学遥感相机的光机集成模型；
步骤(2)、利用理论计算法或者有限元分析法对光机集成模型进行los刚体检查；
步骤(3)、如果光机集成模型的los刚体检查合格，利用msc.nastran在自由漂浮状态下对其进行模态分析，获取结构的频率和振型信息；如果光机集成模型的los刚体检查不合格，则转到步骤(1)；
步骤(4)、在matlab中基于状态空间法，利用已得的模态信息，建立状态空间模型，计算得到结构的传递函数；
步骤(5)、将微振动的载荷输入以功率谱密度的形式描述，进一步利用载荷输入和传递函数计算得到光学遥感相机在受到各个振源扰动时的los值。
2.根据权利要求1所述的光学遥感相机的微振动集成仿真分析方法，其特征在于，步骤(1)具体为：
在msc.patran中建立光学遥感相机结构的有限元模型，在光学软件sigfit中利用各个镜子的曲率半径、镜面材料属性、分析坐标系编号信息定位到各个镜子的镜面，拟合得到各个镜子的刚体位移mpc，进一步利用光学灵敏度矩阵建立光学模型，将光学模型以bdf文件的形式集成到光学遥感相机结构有限元模型当中，得到光学遥感相机的光机集成模型。
3.根据权利要求1所述的光学遥感相机的微振动集成仿真分析方法，其特征在于，步骤(2)中所述理论计算法是先假定相机整体沿光学坐标系任一轴向平移单位长度，代入光学灵敏度矩阵，计算出像点是否无变化，再假定相机整体绕光学坐标系任一轴向旋转单位角度，代入光学灵敏度矩阵，计算出像点的los值是否也为单位角度。
4.根据权利要求1所述的光学遥感相机的微振动集成仿真分析方法，其特征在于，步骤(2)中所述有限元分析法是在光机集成模型中，对模型施加平动或转动位移，利用msc.nastran计算出相应工况下的像点位移，与理论计算法相类似地验证像点的变化是否合理。
5.根据权利要求1所述的光学遥感相机的微振动集成仿真分析方法，其特征在于，步骤(3)中模态分析的频率上限应为所有振源扰动频段上限最大值的二倍。
6.根据权利要求1所述的光学遥感相机的微振动集成仿真分析方法，其特征在于，步骤(4)具体为：
在matlab中建立状态空间模型，多输入-多输出系统状态空间的表达式如下：
y＝cx du
其中，a为系统矩阵，表示系统各个状态变量之间的关联情况；b为输入矩阵，又称控制矩阵，表示系统输入对状态变量变化的影响；c为输出矩阵，表示状态变量和系统输出之间的作用关系；d为直连矩阵，表示系统输入对系统输出的直接影响，许多系统不存在此直接关系，通常为零矩阵；四个矩阵的计算方法如下：
d＝zeros(fout,fin)
其中，nm为提取的模态阶数，fin为系统输入的自由度数，fout为系统输出的自由度数，且ω、z、
βu＝((in out)×6,fin)
βy＝(fout,(in out)×6)
其中，wi为角频率，ξi为阻尼比，in为系统输入点的个数，out为系统输出点的个数；状态空间模型建立完成之后，便可求得系统输入与系统输出之间的传递函数。
7.根据权利要求1所述的光学遥感相机的微振动集成仿真分析方法，其特征在于，步骤(5)具体包括以下步骤：
将微振动的载荷输入以功率谱密度的形式描述，利用计算得到的位移响应值和光学原理图可知：
便可得到微振动作用下光学遥感相机的los响应曲线，该曲线与x轴所围成图形的面积a开平方即可得到响应在规定频率段内的均方根值rms，即1σ值，进一步可求得3σ值，具体公式如下：
3σ＝3×1σ
其中，1σ值代表响应幅值在68.26％的概率上小于1σ；3σ值代表响应幅值在99.73％的概率上小于3σ。
技术总结