基于x射线光学仿真的掠入射光学系统聚焦性能分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及航天器产品设计技术领域，特别设及基于X射线光学仿真的掠入射光 学系统聚焦性能分析方法。
【背景技术】
[0002] 随着军事需求的驱动、资源探测和科学探索的需要，X射线脉冲星导航技术得到了 飞速发展。X射线脉冲星导航仪作为该领域的核屯、载荷，其空间分辨率、时间分辨率、导航精 度等性能指标不断提高，导航仪性能要求的提升也决定了对整个装置的光学系统与支撑结 构的稳定度和尺寸提出了更为苛刻的要求。与此同时，随着小卫星技术的发展，对X射线脉 冲星导航仪的轻量化程度要求却持续增长。而X射线脉冲星导航仪的设计设及到光、机、热 多个学科，是一个多学科相互作用，综合权衡的过程。因此，如何对X射线脉冲星导航装置 进行光学仿真分析与聚焦性能评价是研制高性能仪器的基础。
[0003] 掠入射型X射线光学系统与传统的光学系统相比，具有W下不同点；（1)掠入射全 反射临界角随能量增大非线性减小；（2)特定能量的X射线，反射率随入射角增大非线性减 小；（3)掠入射角一定时，反射率随能量的增大非线性锐减；(4)对光学镜头表面粗趟度要 求苛刻，必须达到InmW下才能发生全反射，因此对镜头面形要求高。
[0004] 而现有的X射线光学仿真与评价方法大多仍采用传统的针对其它波段（如可见 光、红外、紫外等）的光学仿真与评价方法。并未考虑X射线的反射率与入射角和X射线能 量的关系，该将导致两个问题；（1)现有光学仿真方法或商业软件只能每次分析某单一能 量的X射线，并且无法考虑反射率信息，对于0. 1-lOkeV宽能段的Wolter-I型X射线望远 镜而言，其工作量巨大，严重阻碍了在航天工程中的应用。（2)采用传统的光学评价方法并 不能真正反映X射线聚焦性能，因为对于宽波段的X射线而言，由于其连续性，采用离散的 仿真方法不利于工程实现，其次由于并未考虑能量与反射率间的关系，其聚焦评价方法无 法如实反映实际情况。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在与克服现有技术的不足，提供了基于X射线光学仿真的掠入射光 学系统聚焦性能分析方法。该方法充分考虑了X射线光子能量和反射率的特征信息，避免 了现有技术中仅考虑单一能量X射线光子，而不考虑反射率的缺陷，可W实现更接近X射线 脉冲星导航装置的工程实际情况，提高了X射线光学仿真的效率。
[0006] 本发明的上述目的通过W下的技术方案实现：
[0007] 基于X射线光学仿真的掠入射光学系统聚焦性能分析方法，包括W下步骤：
[0008](1)、设置P个X射线光子在光学镜头内表面上的入射位置、光子能量和掠入射角， 其中，第P个光子的入射位置坐标分别为Xp、y。、Zp，所述坐标系的原点设定为探测器中屯、， Z轴设定为光学镜头的中屯、轴线；第P个光子的光子能量为Ep，Ep在设定的能量范围Emi。~ Em"内随机分布；第P个光子的掠入射角为0P，0p在设定的角度范围0mi。~0 内随机 分布；p= l、2、…、P，P为设定的X射线光子样本量；
[0009](2)、根据步骤（1)设置的X射线光子入射位置坐标，计算每个所述光子在光学镜 头内表面入射点处的镜头曲率半径，W及所述入射点到光学镜头中屯、轴线的距离；其中， TP为第P个光子入射点处的镜头曲率半径；dp为第P个光子在光学镜头内表面入射点到光 学镜头中屯、轴线的距离；P= 1、2、…、P;具体计算公式如下：
[0010]
【主权项】
1.基于X射线光学仿真的掠入射光学系统聚焦性能分析方法，其特征在于包括以下步 骤： (1) 、设置P个X射线光子在光学镜头内表面上的入射位置、光子能量和掠入射角，其 中，第P个光子的入射位置坐标分别为Xp、y p、Zp，所述坐标系的原点设定为探测器中心，Z轴 设定为光学镜头的中心轴线；第P个光子的光子能量为E p，Ep在设定的能量范围E min~E _ 内随机分布；第P个光子的掠入射角为θρ，θρ在设定的角度范围θ min~θ _内随机分 布；ρ = 1、2、"·、Ρ，Ρ为设定的X射线光子样本量； (2) 、根据步骤（1)设置的X射线光子入射位置坐标，计算每个所述光子在光学镜头内 表面入射点处的镜头曲率半径，以及所述入射点到光学镜头中心轴线的距离；其中，&为 第P个光子入射点处的镜头曲率半径；d p为第ρ个光子在光学镜头内表面入射点到光学镜 头中心轴线的距离；P = 1、2、…、P ;具体计算公式如下：
(3) 、根据步骤（2)计算得到的X射线光子在光学镜头内表面入射点处的镜头曲率半径 和入射点到光学镜头中心轴线的距离，计算每个X射线光子的实际掠入射角；其中，计算得 到第P个X射线光子的实际掠入射角为％，P = 1、2、"·、Ρ; (4) 、根据每个X射线光子的光子能量计算所述光子的临界入射角，其中，计算得到第ρ 个X射线光子的临界入射角为Φρ，Ρ = 1、2、"·、Ρ ; (5) 、将每个X射线光子的临界入射角与所述光子的实际掠入射角进行比较，确定所 述光子是否发生全发射，并对发生全发射的光子进行计数，得到到达探测器的光子总数 Ntotal; (6) 、对步骤（5)统计得到Nttrtal个发生全反射的X射线光子，进行如下计算，得到每个 所述光子在镜头内表面上的反射角：
其中，α,为第q个发生全反射的X射线光子在镜头内表面上的反射角，供/为第q个发 生全反射的X射线光子的实际掠入射角，St/为第q个发生全反射的X射线光子的掠入射 角；其中，q = 1，2，…，Ntotal; (7) 、根据步骤（6)计算得到的每个所述光子在镜头内表面上的反射角，计算每个光子 在径向和轴向方向上传播的分速度；然后根据轴向分速度、焦距和光子的Z坐标值，计算得 到每个所述光子到达探测器焦平面的飞行时间；再根据运动方程计算得到每个发生全反射 的光子到达探测器焦平面后的坐标值；其中，计算得到第q个发生全反射的X射线光子到达 探测器焦平面后的X坐标和Y坐标分别为·^、，q = 1，2，…，Ntotal; (8) 、计算X射线光学聚焦性能参数，具体计算公式如下：
其中，RMS为X射线光学聚焦性能参数的弥散斑均方根半径；r,为第q个发生全反射的 X射线光子到达探测器焦平面后的位置与探测器中心之间的距离，即
2. 根据权利要求1所述的基于X射线光学仿真的掠入射光学系统聚焦性能分析方法， 其特征在于：在步骤（3)中，第p个X射线光子的实际掠入射角％的计算公式如下：
3. 根据权利要求1所述的基于X射线光学仿真的掠入射光学系统聚焦性能分析方法， 其特征在于：在步骤（4)中，第p个X射线光子的临界入射角Φ ρ的计算公式如下：
其中，4为设定的光学镜头材料的散射因子。
4. 根据权利要求1所述的基于X射线光学仿真的掠入射光学系统聚焦性能分析方法， 其特征在于：在步骤（5)中，通过如下方法确定X射线光子是否发生全反射并进行计数：如 果第P个X射线光子的实际掠入射角大于所述光子的临界入射角，即％ >《，则判断所述 光子发生全反射并到达探测器，然后将到达探测器的光子总数Nttrtal加1，即Nttrtal= Nt()tal+1 ; 其中设定Nttrtal的初值为O ;p = 1、2、"·、Ρ。
5. 根据权利要求1所述的基于X射线光学仿真的掠入射光学系统聚焦性能分析方法， 其特征在于：在步骤（7)中，根据步骤（6)计算得到的每个所述光子在镜头内表面上的反 射角，计算每个光子在径向和轴向方向上传播的分速度；然后根据轴向分速度、焦距和光子 的Z坐标值，计算得到每个所述光子到达探测器焦平面的飞行时间；再根据运动方程计算 得到每个发生全反射的光子到达探测器焦平面后的坐标值；具体计算过程如下： (7a)、计算X射线光子沿光轴方向和径向方向的分速度，具体计算公式如下： \ι= V 〇*cos(a q)； \2= V 〇*sin(a q)； 其中，Vtu为第q个发生全反射的X射线光子沿光轴方向的分速度，Vu为第q个发生 全反射的X射线光子沿径向方向的分速度，Vtl为设定的光速；其中，q = 1，2，…，Nttrtal; (7b)、计算每个发生全反射的X射线光子到达探测器焦平面的飞行时间：
其中，Tq为第q个发生全反射的X射线光子到达探测器焦平面的飞行时间，f为设定的 光学系统焦距；z,'为第q个发生全反射的X射线光子初始入射时的Z坐标；其中，q = 1， 2，…，Ntotal; (7c)、计算每个发生全反射的X射线光子到达探测器焦平面时的位置坐标，具体计算 公式如下：
其中，天/、免/分别为第Q个发生全反射的X射线光子到达探测器焦平面后的X坐标和 Y坐标；χ/和y,'分别为第q个发生全反射的X射线光子初始入射时的X坐标和Y坐标； 其中，q - 1，2，…，Nttjtal。
6. 根据权利要求1所述的基于X射线光学仿真的掠入射光学系统聚焦性能分析方法， 其特征在于：根据发生全反射的光子数目Ntotal与设定的X射线光子样本量P之间的比值计 算得到X射线光子的100%能量集中度_
7. 根据权利要求1所述的基于X射线光学仿真的掠入射光学系统聚焦性能分析方法， 其特征在于：在步骤（7)计算得到发生全反射的X射线光子到达探测器焦平面后的X坐标 和Y坐标后，以探测器中心为圆心，并以4^ Λ半径在探测器焦平面上确定一个圆，统计进 λ 入所述圆内的光子数目，即所述个X射线光子到达探测器焦平面后的位置与 探测器中心之间的距离小于或等于f。
8. 根据权利要求7所述的基于X射线光学仿真的掠入射光学系统聚焦性能分析方法， 其特征在于：根据到达探测器焦平面后的位置与探测器中心之间的距离小于或等于f的 光子数目#4/2与设定的X射线光子样本量P之间的比值，计算得到X射线光子的50 %能 量集中度：
【专利摘要】本发明提供了基于X射线光学仿真的掠入射光学系统聚焦性能分析方法，该方法充分考虑了X射线光子能量和反射率的特征信息，避免了现有技术中仅考虑单一能量X射线光子，而不考虑反射率的缺陷，可以实现更接近X射线脉冲星导航装置的工程实际情况，提高了X射线光学仿真与分析的效率；采用本发明的光学系统聚焦性能分析方法，可以分别对热形变、结构形变或热-结构耦合形变情况下的光学系统聚焦性能进行分析，得到不同情况下光学系统的弥散斑均方根半径、100％能量集中度和50％能量集中度，从而量化了不同形变对光学系统聚焦性能的影响程度，为产品的可靠性设计与优化提供了理论支持。
【IPC分类】G01C25-00, G01M11-02
【公开号】CN104865050
【申请号】CN201510243043
【发明人】李连升, 梅志武, 吕政欣, 左富昌, 邓楼楼, 莫亚男
【申请人】北京控制工程研究所
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月13日