无框架拼接式光学窗口设计方法与流程

本发明属于光学窗口领域，主要涉及一种至少两个光学窗口的无框架拼接设计。

背景技术：

飞行器在大气中做超声速飞行时，机身及光学窗口与气流相互作用形成了激波、膨胀波、湍流边界层等多种复杂的流场结构，导致其周围密度场、压力场和温度场发生变化。这些不均匀性的出现都会降低光学窗口的性能。此外，超声速飞行的机载光电系统为了提高自身探测识别能力，要求增大光学系统的口径以便获得更多的能量信息。对角线最大尺寸大于500mm的光学窗口往往受到光学材料尺寸的限制，为了保证光学窗口在超声速飞行的条件下光学性能，目前采用多个光学窗口拼接的方式，在光学窗口的拼接处用结构件作为支撑，安装时使用粘合剂将光学窗口与结构部分固定。

有框架拼接光学窗口设计时首先根据系统的指标要求，计算出拼接光学窗口的具体外形尺寸，其次对拼接光学窗口进行有限元的仿真，根据仿真结果得出合理的光学窗口厚度。这种方法在光学窗口的拼接处采用了结构件，对光学系统形成遮挡，这无疑减小了光学窗口的有效通光口径，造成光学系统的能量损失，尤其是当拼接处的结构件位于光学系统的中心视场时，会损失光学系统轴上的光信息，影响了光学系统的成像质量，降低整个光电系统的探测识别等性能。

中国科学院长春精密机械与物理研究所专利CN 104749735A公开了“一种拼接式共形光学窗口”，该专利

技术实现要素：
为拼接光学窗口的实体，拼接处没有结构件支撑但是拼接处的模型为平面，通过胶粘合在一起。该专利没有详述为适应超声速飞行条件下，光学窗口拼接处模型的优化方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，为超声速飞行的机载光电设备上对角线最大尺寸大于500mm的光学窗口，提供一种拼接处无需结构件支撑的无框架拼接设计方法。

本发明的技术方案为：

所述一种无框架拼接式光学窗口设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据系统的指标要求计算出满足载荷的有效总视场的光学窗口外形尺寸，采用多个光学窗口进行拼接；

步骤2：对于任意两个相邻需要拼接的光学窗口，采用以下方法设计光学窗口的拼接参数：

步骤2.1：两个拼接光学窗口拼接处采用矩形齿拼接，且相互接触表面通过涂胶的方式固定；

步骤2.2：确定设计拼接光学窗口的拼接参数为：矩形齿峰值A、矩形齿相邻峰值之间的距离P、光学窗口厚度d、矩形齿槽宽e、光学窗口拼接处的长度L、光学窗口中矩形齿槽底与相对边的距离W、矩形齿顶与光学窗口透光平面的夹角α；

步骤2.3：确定两个拼接光学窗口之间拼接参数的约束关系：一个拼接光学窗口的矩形齿状相邻峰值之间的距离P是另一个拼接光学窗口矩形齿槽宽e；两个拼接光学窗口的厚度d相同，两个拼接光学窗口之间夹角θ和矩形齿状顶面与光学窗口透光平面的夹角α之间满足如下关系：α＝180°-θ；其余参数要求为：

步骤2.4：根据步骤2.3确定的拼接参数以及步骤2.4确定的约束关系，确定拼接参数初值，并采用三维构型软件建立拼接光学窗口模型，采用有限元分析软件对拼接光学窗口模型进行有限元仿真分析，得到在使用环境下，拼接光学窗口的表面位移量及对应的坐标；采用光机热耦合分析软件将拼接光学窗口的有限元分析结果拟合成拼接光学窗口Zernike系数，光学设计软件调用拟合后的拼接光学窗口Zernike系数形成拼接光学窗口Zernike面型，输出该拼接光学窗口的光学传递函数值；最后评判输出的光学传递函数值是否不小于理想条件下拼接光学窗口的光学传递函数值的90％，所述理想条件指常温常压状态；如果小于，则修改拼接参数，重复本步骤，直到满足目标为止。

有益效果

本发明的整体效果体现在：利用无框架拼接式光学窗口，实现了超声速飞行的机载光电设备上投影形状对角线尺寸大于500mm的光学窗口的无框架设计方法，在保证光学窗口满足系统使用要求的前提下，解决了光学窗口拼接处由于结构遮挡降低光学系统透过率或强度不足引起的光学形变降低光学系统性能的问题，从而提升整个光电系统的探测识别等能力。鉴于上述种种优势，本发明提供的设计方法可应用在超声速飞行的机载光电系统的拼接光学窗口中。

附图说明

图1是本发明无框架拼接光学窗口示意图。

图2是本发明无框架拼接光学窗口拼接处模型变量示意图。

图3是本发明无框架拼接光学窗口仿真优化流程示意图。

图4是本发明第一优选实施例无框架拼接光学窗口三维模型图。

图5是本发明第二优选实施例无框架拼接光学窗口三维模型图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

本发明的目的是为超声速飞行的机载光电设备上对角线最大尺寸大于500mm的光学窗口，提供一种拼接处无需结构件支撑的无框架拼接设计方法。

如图3所示，具体包括以下步骤：

步骤1：根据系统的指标要求计算出满足载荷的有效总视场的光学窗口外形尺寸，采用多个光学窗口进行拼接；

步骤2：对于任意两个相邻需要拼接的光学窗口，采用以下方法设计光学窗口的拼接参数：

步骤2.1：两个拼接光学窗口拼接处采用矩形齿拼接，且相互接触表面通过涂胶的方式固定；

步骤2.2：确定设计拼接光学窗口的拼接参数为：矩形齿峰值A、矩形齿相邻峰值之间的距离P、光学窗口厚度d、矩形齿槽宽e、光学窗口拼接处的长度L、光学窗口中矩形齿槽底与相对边的距离W、矩形齿顶与光学窗口透光平面的夹角α；

步骤2.3：确定两个拼接光学窗口之间拼接参数的约束关系：两个拼接光学窗口拼接处的矩形齿状模型互补，即一个拼接光学窗口的矩形齿状相邻峰值之间的距离P是另一个拼接光学窗口矩形齿槽宽e；两个拼接光学窗口的厚度d相同，两个拼接光学窗口之间夹角θ和矩形齿状顶面与光学窗口透光平面的夹角α之间满足如下关系：α＝180°-θ；其余参数要求为：

步骤2.4：根据步骤2.3确定的拼接参数以及步骤2.4确定的约束关系，确定拼接参数初值，并采用三维构型软件建立拼接光学窗口模型，采用有限元分析软件对拼接光学窗口模型进行有限元仿真分析，得到在使用环境下，拼接光学窗口的表面位移量及对应的坐标；采用光机热耦合分析软件将拼接光学窗口的有限元分析结果拟合成拼接光学窗口Zernike系数，光学设计软件调用拟合后的拼接光学窗口Zernike系数形成拼接光学窗口Zernike面型，输出该拼接光学窗口的光学传递函数值；最后评判输出的光学传递函数值是否不小于理想条件下拼接光学窗口的光学传递函数值的90％，所述理想条件指常温常压状态；如果小于，则修改拼接参数，重复本步骤，直到满足目标函数值为止。

基于上述原理，本发明第一优选实施例机载光电系统要求光学窗口投影尺寸为长度L＝630mm，宽度W＝500mm的矩形，使用波段为0.55μm～5μm，使用环境为飞行马赫数为2，飞行高度为12Km。

首先根据系统的指标要求采用两个长度是L＝250mm、宽度是W＝240mm的光学窗口拼接实现系统要求的光学窗口，选择两个拼接光学窗口的长度方向进行拼接，拼接光学窗口之间夹角θ为150°。光学窗口的材料是多光谱硫化锌。其次对光学窗口进行有限元仿真分析及优化，根据图3可知具体流程如下：先用三维建模软件如solidworks，UG等软件建立拼接光学窗口的最初模型，在三维模型中设置模型变量即矩形齿状的峰值A、相邻峰值之间的距离P及光学窗口厚度d及变量变化范围α＝180°-θ，再用有限元分析软件如ansys软件对建立好的拼接光学窗口最初模型进行有限元仿真分析，得到在使用环境为飞行马赫数为2，飞行高度为12Km，拼接光学窗口的表面位移量及对应的坐标。再用光机热耦合分析软件如：sigfit软件将拼接光学窗口的有限元分析结果拟合成拼接光学窗口Zernike系数，光学设计软件CODEⅤ调用拟合后的拼接光学窗口Zernike系数形成拼接光学窗口Zernike面型，输出该拼接光学窗口的光学传递函数值；最后评判输出的光学传递函数值是否不小于理想条件下拼接光学窗口的光学传递函数值的90％，如果小于，则修改拼接参数，重复本步骤，直到满足目标为止。仿真过程中不同软件之间数据的传递、耦合是通过多学科优化设计软件isigt完成的。

拼接光学窗口经过优化后的模型参数为：两个拼接光学窗口之间夹角θ＝150°,α＝180°-θ＝30°，拼接光学窗口1拼接处的矩形齿状的峰值A＝30mm，矩形齿状相邻峰值之间的距离P＝25mm，光学窗口厚度d＝25mm，矩形齿状槽宽度e＝30mm。拼接光学窗口2拼接处的模型与拼接光学窗口1拼接处的模型互补，该光学窗口拼接处矩形齿状的峰值A＝30mm，相邻峰值之间的距离P＝30mm，光学窗口厚度d＝25mm，矩形齿状槽宽度e＝25mm。

本发明第二优选实施例机载光电系统要求前视方向光学窗口投影尺寸为380mm×540mm的矩形，对空方向光学窗口投影尺寸为430mm×260mm的椭圆形，使用波段为0.6μm～5μm，使用环境为飞行马赫数是1.8，飞行高度为10Km。

首先根据系统的指标要求采三个光学窗口进行拼接，如图5所示，拼接光学窗口1与拼接光学窗口2的外形尺寸相同是长度L＝380mm，宽度W＝300mm的矩形，选择两个拼接光学窗口的长边方向进行拼接，拼接光学窗口之间夹角θ是135°。拼接光学窗口3为四边形尺寸是380mm×380mm×450mm×450mm，与拼接光学窗口1及拼接光学窗口2相临的两个面的夹角为θ是135°。光学窗口的材料是多光谱硫化锌。其次对光学窗口进行有限元仿真分析及优化，根据图3可知具体流程如下：先用三维建模软件如solidworks，UG等软件建立拼接光学窗口的最初模型，在三维模型中设置模型变量即矩形齿状的峰值A、相邻峰值之间的距离P及光学窗口厚度d及变量变化范围α＝180°-θ，再用有限元分析软件如ansys软件对建立好的拼接光学窗口最初模型进行有限元仿真分析，得到在使用环境为飞行马赫数为1.8，飞行高度为10Km下，拼接光学窗口的表面位移量及对应的坐标。再用光机热耦合分析软件如：sigfit软件将拼接光学窗口的有限元分析结果拟合成拼接光学窗口Zernike系数，光学设计软件CODEⅤ调用拟合后的拼接光学窗口Zernike系数形成拼接光学窗口Zernike面型，输出该拼接光学窗口的光学传递函数值；最后评判输出的光学传递函数值是否不小于理想条件下拼接光学窗口的光学传递函数值的90％，如果小于，则修改拼接参数，重复本步骤，直到满足目标为止。仿真过程中不同软件之间数据的传递、耦合是通过多学科优化设计软件isigt完成的。

拼接光学窗口经过优化后的模型参数为：拼接光学窗口1与拼接光学窗口2之间夹角θ＝135°,α＝180°-θ＝45°，拼接光学窗口1与拼接光学窗口2之间拼接处矩形齿状的峰值A＝30mm，相邻峰值之间的距离P＝50mm，光学窗口厚度d＝25mm，矩形齿状槽宽度e＝35mm。拼接光学窗口2与拼接光学窗口1拼接处矩形齿状模型互补，矩形齿状峰值A＝30mm，矩形齿状相邻峰值之间的距离P＝35mm，光学窗口厚度d＝25mm，矩形齿状槽宽度e＝50mm。拼接光学窗口3与拼接光学窗口1及拼接光学窗口2拼接处矩形齿状模型参数相同，之间夹角θ＝90°,α＝180°-θ＝90°，矩形齿状的峰值A＝25mm，相邻峰值之间的距离P＝55mm，光学窗口厚度d＝25mm，矩形齿状槽宽度e＝40mm。拼接光学窗口1与拼接光学窗口3拼接处矩形齿状峰值A＝25mm，相邻峰值之间的距离P＝40mm，光学窗口厚度d＝25mm，矩形齿状槽宽度e＝55mm。拼接光学窗口2与拼接光学窗口3拼接处矩形齿状峰值A＝25mm，相邻峰值之间的距离P＝40mm，光学窗口厚度d＝25mm，矩形齿状槽宽度e＝55mm。