本發(fā)明屬于光學(xué)窗口領(lǐng)域，主要涉及一種至少兩個(gè)光學(xué)窗口的無(wú)框架拼接設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

飛行器在大氣中做超聲速飛行時(shí)，機(jī)身及光學(xué)窗口與氣流相互作用形成了激波、膨脹波、湍流邊界層等多種復(fù)雜的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其周?chē)芏葓?chǎng)、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)發(fā)生變化。這些不均勻性的出現(xiàn)都會(huì)降低光學(xué)窗口的性能。此外，超聲速飛行的機(jī)載光電系統(tǒng)為了提高自身探測(cè)識(shí)別能力，要求增大光學(xué)系統(tǒng)的口徑以便獲得更多的能量信息。對(duì)角線最大尺寸大于500mm的光學(xué)窗口往往受到光學(xué)材料尺寸的限制，為了保證光學(xué)窗口在超聲速飛行的條件下光學(xué)性能，目前采用多個(gè)光學(xué)窗口拼接的方式，在光學(xué)窗口的拼接處用結(jié)構(gòu)件作為支撐，安裝時(shí)使用粘合劑將光學(xué)窗口與結(jié)構(gòu)部分固定。

有框架拼接光學(xué)窗口設(shè)計(jì)時(shí)首先根據(jù)系統(tǒng)的指標(biāo)要求，計(jì)算出拼接光學(xué)窗口的具體外形尺寸，其次對(duì)拼接光學(xué)窗口進(jìn)行有限元的仿真，根據(jù)仿真結(jié)果得出合理的光學(xué)窗口厚度。這種方法在光學(xué)窗口的拼接處采用了結(jié)構(gòu)件，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)形成遮擋，這無(wú)疑減小了光學(xué)窗口的有效通光口徑，造成光學(xué)系統(tǒng)的能量損失，尤其是當(dāng)拼接處的結(jié)構(gòu)件位于光學(xué)系統(tǒng)的中心視場(chǎng)時(shí)，會(huì)損失光學(xué)系統(tǒng)軸上的光信息，影響了光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，降低整個(gè)光電系統(tǒng)的探測(cè)識(shí)別等性能。

中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春精密機(jī)械與物理研究所專利CN 104749735A公開(kāi)了“一種拼接式共形光學(xué)窗口”，該專利

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為拼接光學(xué)窗口的實(shí)體，拼接處沒(méi)有結(jié)構(gòu)件支撐但是拼接處的模型為平面，通過(guò)膠粘合在一起。該專利沒(méi)有詳述為適應(yīng)超聲速飛行條件下，光學(xué)窗口拼接處模型的優(yōu)化方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，為超聲速飛行的機(jī)載光電設(shè)備上對(duì)角線最大尺寸大于500mm的光學(xué)窗口，提供一種拼接處無(wú)需結(jié)構(gòu)件支撐的無(wú)框架拼接設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

所述一種無(wú)框架拼接式光學(xué)窗口設(shè)計(jì)方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：根據(jù)系統(tǒng)的指標(biāo)要求計(jì)算出滿足載荷的有效總視場(chǎng)的光學(xué)窗口外形尺寸，采用多個(gè)光學(xué)窗口進(jìn)行拼接；

步驟2：對(duì)于任意兩個(gè)相鄰需要拼接的光學(xué)窗口，采用以下方法設(shè)計(jì)光學(xué)窗口的拼接參數(shù)：

步驟2.1：兩個(gè)拼接光學(xué)窗口拼接處采用矩形齒拼接，且相互接觸表面通過(guò)涂膠的方式固定；

步驟2.2：確定設(shè)計(jì)拼接光學(xué)窗口的拼接參數(shù)為：矩形齒峰值A(chǔ)、矩形齒相鄰峰值之間的距離P、光學(xué)窗口厚度d、矩形齒槽寬e、光學(xué)窗口拼接處的長(zhǎng)度L、光學(xué)窗口中矩形齒槽底與相對(duì)邊的距離W、矩形齒頂與光學(xué)窗口透光平面的夾角α；

步驟2.3：確定兩個(gè)拼接光學(xué)窗口之間拼接參數(shù)的約束關(guān)系：一個(gè)拼接光學(xué)窗口的矩形齒狀相鄰峰值之間的距離P是另一個(gè)拼接光學(xué)窗口矩形齒槽寬e；兩個(gè)拼接光學(xué)窗口的厚度d相同，兩個(gè)拼接光學(xué)窗口之間夾角θ和矩形齒狀頂面與光學(xué)窗口透光平面的夾角α之間滿足如下關(guān)系：α＝180°-θ；其余參數(shù)要求為：

步驟2.4：根據(jù)步驟2.3確定的拼接參數(shù)以及步驟2.4確定的約束關(guān)系，確定拼接參數(shù)初值，并采用三維構(gòu)型軟件建立拼接光學(xué)窗口模型，采用有限元分析軟件對(duì)拼接光學(xué)窗口模型進(jìn)行有限元仿真分析，得到在使用環(huán)境下，拼接光學(xué)窗口的表面位移量及對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)；采用光機(jī)熱耦合分析軟件將拼接光學(xué)窗口的有限元分析結(jié)果擬合成拼接光學(xué)窗口Zernike系數(shù)，光學(xué)設(shè)計(jì)軟件調(diào)用擬合后的拼接光學(xué)窗口Zernike系數(shù)形成拼接光學(xué)窗口Zernike面型，輸出該拼接光學(xué)窗口的光學(xué)傳遞函數(shù)值；最后評(píng)判輸出的光學(xué)傳遞函數(shù)值是否不小于理想條件下拼接光學(xué)窗口的光學(xué)傳遞函數(shù)值的90％，所述理想條件指常溫常壓狀態(tài)；如果小于，則修改拼接參數(shù)，重復(fù)本步驟，直到滿足目標(biāo)為止。

有益效果

本發(fā)明的整體效果體現(xiàn)在：利用無(wú)框架拼接式光學(xué)窗口，實(shí)現(xiàn)了超聲速飛行的機(jī)載光電設(shè)備上投影形狀對(duì)角線尺寸大于500mm的光學(xué)窗口的無(wú)框架設(shè)計(jì)方法，在保證光學(xué)窗口滿足系統(tǒng)使用要求的前提下，解決了光學(xué)窗口拼接處由于結(jié)構(gòu)遮擋降低光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率或強(qiáng)度不足引起的光學(xué)形變降低光學(xué)系統(tǒng)性能的問(wèn)題，從而提升整個(gè)光電系統(tǒng)的探測(cè)識(shí)別等能力。鑒于上述種種優(yōu)勢(shì)，本發(fā)明提供的設(shè)計(jì)方法可應(yīng)用在超聲速飛行的機(jī)載光電系統(tǒng)的拼接光學(xué)窗口中。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明無(wú)框架拼接光學(xué)窗口示意圖。

圖2是本發(fā)明無(wú)框架拼接光學(xué)窗口拼接處模型變量示意圖。

圖3是本發(fā)明無(wú)框架拼接光學(xué)窗口仿真優(yōu)化流程示意圖。

圖4是本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例無(wú)框架拼接光學(xué)窗口三維模型圖。

圖5是本發(fā)明第二優(yōu)選實(shí)施例無(wú)框架拼接光學(xué)窗口三維模型圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳述。

本發(fā)明的目的是為超聲速飛行的機(jī)載光電設(shè)備上對(duì)角線最大尺寸大于500mm的光學(xué)窗口，提供一種拼接處無(wú)需結(jié)構(gòu)件支撐的無(wú)框架拼接設(shè)計(jì)方法。

如圖3所示，具體包括以下步驟：

步驟1：根據(jù)系統(tǒng)的指標(biāo)要求計(jì)算出滿足載荷的有效總視場(chǎng)的光學(xué)窗口外形尺寸，采用多個(gè)光學(xué)窗口進(jìn)行拼接；

步驟2：對(duì)于任意兩個(gè)相鄰需要拼接的光學(xué)窗口，采用以下方法設(shè)計(jì)光學(xué)窗口的拼接參數(shù)：

步驟2.1：兩個(gè)拼接光學(xué)窗口拼接處采用矩形齒拼接，且相互接觸表面通過(guò)涂膠的方式固定；

步驟2.2：確定設(shè)計(jì)拼接光學(xué)窗口的拼接參數(shù)為：矩形齒峰值A(chǔ)、矩形齒相鄰峰值之間的距離P、光學(xué)窗口厚度d、矩形齒槽寬e、光學(xué)窗口拼接處的長(zhǎng)度L、光學(xué)窗口中矩形齒槽底與相對(duì)邊的距離W、矩形齒頂與光學(xué)窗口透光平面的夾角α；

步驟2.3：確定兩個(gè)拼接光學(xué)窗口之間拼接參數(shù)的約束關(guān)系：兩個(gè)拼接光學(xué)窗口拼接處的矩形齒狀模型互補(bǔ)，即一個(gè)拼接光學(xué)窗口的矩形齒狀相鄰峰值之間的距離P是另一個(gè)拼接光學(xué)窗口矩形齒槽寬e；兩個(gè)拼接光學(xué)窗口的厚度d相同，兩個(gè)拼接光學(xué)窗口之間夾角θ和矩形齒狀頂面與光學(xué)窗口透光平面的夾角α之間滿足如下關(guān)系：α＝180°-θ；其余參數(shù)要求為：

步驟2.4：根據(jù)步驟2.3確定的拼接參數(shù)以及步驟2.4確定的約束關(guān)系，確定拼接參數(shù)初值，并采用三維構(gòu)型軟件建立拼接光學(xué)窗口模型，采用有限元分析軟件對(duì)拼接光學(xué)窗口模型進(jìn)行有限元仿真分析，得到在使用環(huán)境下，拼接光學(xué)窗口的表面位移量及對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)；采用光機(jī)熱耦合分析軟件將拼接光學(xué)窗口的有限元分析結(jié)果擬合成拼接光學(xué)窗口Zernike系數(shù)，光學(xué)設(shè)計(jì)軟件調(diào)用擬合后的拼接光學(xué)窗口Zernike系數(shù)形成拼接光學(xué)窗口Zernike面型，輸出該拼接光學(xué)窗口的光學(xué)傳遞函數(shù)值；最后評(píng)判輸出的光學(xué)傳遞函數(shù)值是否不小于理想條件下拼接光學(xué)窗口的光學(xué)傳遞函數(shù)值的90％，所述理想條件指常溫常壓狀態(tài)；如果小于，則修改拼接參數(shù)，重復(fù)本步驟，直到滿足目標(biāo)函數(shù)值為止。

基于上述原理，本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例機(jī)載光電系統(tǒng)要求光學(xué)窗口投影尺寸為長(zhǎng)度L＝630mm，寬度W＝500mm的矩形，使用波段為0.55μm～5μm，使用環(huán)境為飛行馬赫數(shù)為2，飛行高度為12Km。

首先根據(jù)系統(tǒng)的指標(biāo)要求采用兩個(gè)長(zhǎng)度是L＝250mm、寬度是W＝240mm的光學(xué)窗口拼接實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的光學(xué)窗口，選擇兩個(gè)拼接光學(xué)窗口的長(zhǎng)度方向進(jìn)行拼接，拼接光學(xué)窗口之間夾角θ為150°。光學(xué)窗口的材料是多光譜硫化鋅。其次對(duì)光學(xué)窗口進(jìn)行有限元仿真分析及優(yōu)化，根據(jù)圖3可知具體流程如下：先用三維建模軟件如solidworks，UG等軟件建立拼接光學(xué)窗口的最初模型，在三維模型中設(shè)置模型變量即矩形齒狀的峰值A(chǔ)、相鄰峰值之間的距離P及光學(xué)窗口厚度d及變量變化范圍α＝180°-θ，再用有限元分析軟件如ansys軟件對(duì)建立好的拼接光學(xué)窗口最初模型進(jìn)行有限元仿真分析，得到在使用環(huán)境為飛行馬赫數(shù)為2，飛行高度為12Km，拼接光學(xué)窗口的表面位移量及對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)。再用光機(jī)熱耦合分析軟件如：sigfit軟件將拼接光學(xué)窗口的有限元分析結(jié)果擬合成拼接光學(xué)窗口Zernike系數(shù)，光學(xué)設(shè)計(jì)軟件CODEⅤ調(diào)用擬合后的拼接光學(xué)窗口Zernike系數(shù)形成拼接光學(xué)窗口Zernike面型，輸出該拼接光學(xué)窗口的光學(xué)傳遞函數(shù)值；最后評(píng)判輸出的光學(xué)傳遞函數(shù)值是否不小于理想條件下拼接光學(xué)窗口的光學(xué)傳遞函數(shù)值的90％，如果小于，則修改拼接參數(shù)，重復(fù)本步驟，直到滿足目標(biāo)為止。仿真過(guò)程中不同軟件之間數(shù)據(jù)的傳遞、耦合是通過(guò)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件isigt完成的。

拼接光學(xué)窗口經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的模型參數(shù)為：兩個(gè)拼接光學(xué)窗口之間夾角θ＝150°,α＝180°-θ＝30°，拼接光學(xué)窗口1拼接處的矩形齒狀的峰值A(chǔ)＝30mm，矩形齒狀相鄰峰值之間的距離P＝25mm，光學(xué)窗口厚度d＝25mm，矩形齒狀槽寬度e＝30mm。拼接光學(xué)窗口2拼接處的模型與拼接光學(xué)窗口1拼接處的模型互補(bǔ)，該光學(xué)窗口拼接處矩形齒狀的峰值A(chǔ)＝30mm，相鄰峰值之間的距離P＝30mm，光學(xué)窗口厚度d＝25mm，矩形齒狀槽寬度e＝25mm。

本發(fā)明第二優(yōu)選實(shí)施例機(jī)載光電系統(tǒng)要求前視方向光學(xué)窗口投影尺寸為380mm×540mm的矩形，對(duì)空方向光學(xué)窗口投影尺寸為430mm×260mm的橢圓形，使用波段為0.6μm～5μm，使用環(huán)境為飛行馬赫數(shù)是1.8，飛行高度為10Km。

首先根據(jù)系統(tǒng)的指標(biāo)要求采三個(gè)光學(xué)窗口進(jìn)行拼接，如圖5所示，拼接光學(xué)窗口1與拼接光學(xué)窗口2的外形尺寸相同是長(zhǎng)度L＝380mm，寬度W＝300mm的矩形，選擇兩個(gè)拼接光學(xué)窗口的長(zhǎng)邊方向進(jìn)行拼接，拼接光學(xué)窗口之間夾角θ是135°。拼接光學(xué)窗口3為四邊形尺寸是380mm×380mm×450mm×450mm，與拼接光學(xué)窗口1及拼接光學(xué)窗口2相臨的兩個(gè)面的夾角為θ是135°。光學(xué)窗口的材料是多光譜硫化鋅。其次對(duì)光學(xué)窗口進(jìn)行有限元仿真分析及優(yōu)化，根據(jù)圖3可知具體流程如下：先用三維建模軟件如solidworks，UG等軟件建立拼接光學(xué)窗口的最初模型，在三維模型中設(shè)置模型變量即矩形齒狀的峰值A(chǔ)、相鄰峰值之間的距離P及光學(xué)窗口厚度d及變量變化范圍α＝180°-θ，再用有限元分析軟件如ansys軟件對(duì)建立好的拼接光學(xué)窗口最初模型進(jìn)行有限元仿真分析，得到在使用環(huán)境為飛行馬赫數(shù)為1.8，飛行高度為10Km下，拼接光學(xué)窗口的表面位移量及對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)。再用光機(jī)熱耦合分析軟件如：sigfit軟件將拼接光學(xué)窗口的有限元分析結(jié)果擬合成拼接光學(xué)窗口Zernike系數(shù)，光學(xué)設(shè)計(jì)軟件CODEⅤ調(diào)用擬合后的拼接光學(xué)窗口Zernike系數(shù)形成拼接光學(xué)窗口Zernike面型，輸出該拼接光學(xué)窗口的光學(xué)傳遞函數(shù)值；最后評(píng)判輸出的光學(xué)傳遞函數(shù)值是否不小于理想條件下拼接光學(xué)窗口的光學(xué)傳遞函數(shù)值的90％，如果小于，則修改拼接參數(shù)，重復(fù)本步驟，直到滿足目標(biāo)為止。仿真過(guò)程中不同軟件之間數(shù)據(jù)的傳遞、耦合是通過(guò)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件isigt完成的。

拼接光學(xué)窗口經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的模型參數(shù)為：拼接光學(xué)窗口1與拼接光學(xué)窗口2之間夾角θ＝135°,α＝180°-θ＝45°，拼接光學(xué)窗口1與拼接光學(xué)窗口2之間拼接處矩形齒狀的峰值A(chǔ)＝30mm，相鄰峰值之間的距離P＝50mm，光學(xué)窗口厚度d＝25mm，矩形齒狀槽寬度e＝35mm。拼接光學(xué)窗口2與拼接光學(xué)窗口1拼接處矩形齒狀模型互補(bǔ)，矩形齒狀峰值A(chǔ)＝30mm，矩形齒狀相鄰峰值之間的距離P＝35mm，光學(xué)窗口厚度d＝25mm，矩形齒狀槽寬度e＝50mm。拼接光學(xué)窗口3與拼接光學(xué)窗口1及拼接光學(xué)窗口2拼接處矩形齒狀模型參數(shù)相同，之間夾角θ＝90°,α＝180°-θ＝90°，矩形齒狀的峰值A(chǔ)＝25mm，相鄰峰值之間的距離P＝55mm，光學(xué)窗口厚度d＝25mm，矩形齒狀槽寬度e＝40mm。拼接光學(xué)窗口1與拼接光學(xué)窗口3拼接處矩形齒狀峰值A(chǔ)＝25mm，相鄰峰值之間的距離P＝40mm，光學(xué)窗口厚度d＝25mm，矩形齒狀槽寬度e＝55mm。拼接光學(xué)窗口2與拼接光學(xué)窗口3拼接處矩形齒狀峰值A(chǔ)＝25mm，相鄰峰值之間的距離P＝40mm，光學(xué)窗口厚度d＝25mm，矩形齒狀槽寬度e＝55mm。