本发明涉及光束控制仿真技术领域，尤其涉及一种连续平面反射式光链路的光束抖动仿真方法。
背景技术：
连续平面反射式光机结构(简称光机结构)在大型光学成像探测和激光装备领域有着广泛的应用价值。
现阶段大型光学系统中，常采用连续平面反射式光链路为光学结构在做方位、俯仰运动探测时，提供连续的导光光路(也称反射光路)。连续平面反射式光链路建立在连续平面反射式光机结构的光学基座安装面上，连续平面反射式光链路由多个位于反射光路上的平面反射镜构成。光机结构在不同平台环境下工作时，光学系统会受到来自外界机械或流场的振动激励作用，致使连续反射光路指向失稳。
传统方法只对光学系统中光学元件的机械位移量进行控制校正，而忽略了光束指向抖动(即反射式光机出口光束指向角位移)的影响，但随着现有光学系统对光束稳定性的要求越来越高，光束抖动控制越来越受到重视。
目前，大多采用加速度传感器测量获得光机结构安装面的振动加速度激励值，如何根据加速度激励输入实现振动环境下连续平面反射式光链路光束指向的动态校正控制是目前亟需解决的问题。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明公开一种连续平面反射式光链路的光束抖动仿真方法，以加速度振动激励值作为外界载荷输入，进行连续平面反射式光链路的光束抖动数值仿真计算，根据仿真结果能够为动态校正连续反射式光链路光束指向提供控制输入，从而利用该控制输入实现振动环境下连续平面反射式光链路光束指向的动态校正。
一种连续平面反射式光链路的光束抖动仿真方法，连续平面反射式光链路由位于反射光路上的多个平面反射镜构成，连续平面反射式光链路建立在连续平面反射式光机结构的光学基座安装面上；光束抖动仿真方法包括：
步骤s1、在多个振动频率下，分别对连续平面反射式光机结构进行振动激励下的有限元仿真分析得到相应的仿真结果，从仿真结果中提取连续平面反射式光链路在每个振动频率下的第一角位移数据；
步骤s2、分别对每个第一角位移数据进行快速傅里叶逆变换，得到在每个振动频率对应的整个时域振动周期内的多个采样时刻下，连续平面反射式光链路的第二角位移数据；
步骤s3、利用转动反射矢量理论对每个采样时刻的第二角位移数据分别进行处理，得到每个振动频率对应的多个采样时刻下，连续平面反射式光链路的出口光束偏转量和出口光斑位置；
步骤s4、提取每个振动频率下的最大出口光束偏转量和相应的出口光斑位置作为光束抖动评价指标进行图像输出。
优选的，步骤s1包括：
步骤s101、在连续平面反射式光机结构的安装面上耦合一大质量点，将每个振动频率对应的加速度激励分别转换为力激励，并将力激励施加到对应连续平面反射式光机结构的仿真模型安装面上；
步骤s102、对连续平面反射式光机结构的有限元模型进行模态分析，得到其模态频率及模态振型结果，利用模态叠加法在模态分析结果基础上进行谐响应分析，得到连续平面反射式光机结构在每个振动频率下的受迫振动仿真结果；
步骤s103、从仿真结果中提取每个振动频率下所有平面反射镜光轴中心附近多个预设节点的角位移值，取每个平面反射镜上所有预设节点的角位移值的处理值作为每个平面反射镜的角位移量，每个振动频率下连续平面反射式光链路的所有平面反射镜的角位移量构成第一角位移数据。
优选的，步骤s101中，在将力激励施加到安装面上时，约束安装面在除激励方向以外方向的位移，以保证仿真模型安装面上振动源输入的准确性。
优选的，步骤s103中，预设节点为以平面反射镜的光轴中心为圆心，在预设半径范围内的多个点。
优选的，步骤s103中，取每个平面反射镜上所有预设节点角位移值的算术平均值作为处理值。
优选的，步骤s3中，采用下述公式对每个采样时刻下的第二角位移数据分别进行计算得到出口光束偏转量：
其中，
p用于表示连续平面反射式光链路的入射光束矢量；
rj用于表示连续平面反射式光链路上第j块平面反射镜的反射矩阵；
sxj用于表示连续平面反射式光链路上第j块平面反射镜的绕预设坐标轴的x轴转动的旋转矩阵；
syj用于表示连续平面反射式光链路上第j块平面反射镜的绕预设坐标轴的y轴转动的旋转矩阵；
szj用于表示连续平面反射式光链路上第j块平面反射镜的绕预设坐标轴的z轴转动的旋转矩阵。
优选的，步骤s3中，利用出口光束偏转量处理得到相应的出口光斑位置。
优选的，获取连续反射式光机结构主要振动频率范围下的最大出口光束偏转量和相应的出口光斑位置作为光束抖动评价指标进行图像输出。
优选的，步骤s4中，根据光束抖动数值仿真绘制每个振动频率下的连续平面反射式光链路出口光束偏转量曲线后，将出口光束偏转量曲线作为光束抖动数值仿真结果。
优选的，步骤s4中，根据光束抖动数值仿真绘制每个振动频率下的连续平面反射式光链路出口光斑位置散点图后，将出口光斑位置散点图作为光束抖动数值仿真结果。
本发明的有益效果：本发明通过连续平面反射式光机结构有限元模型，模拟光机结构在实际工况下的动力学响应，并根据结构仿真结果运用转动反射矢量理论，使用关联于平面反射镜的第二角位移数据推导出连续平面反射式光链路出口光束指向的角位移量，实现由外界振动环境得到连续平面反射式光链路的光束抖动量的技术路线，为动态校正连续反射式光链路光束指向提供参考依据，具有与实际偏差小和工程指导性强的优点。
附图说明
图1为连续平面反射式光链路的光束抖动仿真方法的流程图；
图2为步骤s1的流程图；
图3为连续平面反射式光链路的多个平面反射镜布置示意图；
图4为本发明实施例中，连续平面反射式光链路出口光斑位置散点图；
图5为本发明实施例中，连续平面反射式光链路出口光束偏转量曲线。
图中，附图标记的含义如下：
1、平面反射镜一，2、平面反射镜二，3、平面反射镜三，4、平面反射镜四，5、平面反射镜五。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，下述技术方案，技术特征之间可以相互组合。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：
如图1-4所示，一种连续平面反射式光链路的光束抖动仿真方法，连续平面反射式光链路由位于反射光路上的多个平面反射镜(例如由图1中平面反射镜一1、平面反射镜二2、平面反射镜三3、平面反射镜四4、以及平面反射镜五5)构成，连续平面反射式光链路建立在连续平面反射式光机结构的光学基座安装面上。光束抖动仿真方法包括：
步骤s1、在多个振动频率(例如：1hz～100hz内均布100个振动采样频率)下，分别对连续平面反射式光机结构进行振动激励下的有限元仿真分析得到相应的仿真结果，从仿真结果中提取连续平面反射式光链路在每个振动频率下的第一角位移数据。具体的，对连续平面反射式光机结构进行振动激励作用下的有限元仿真分析，并提取各分析频率(即振动频率)下的反射镜面角位移数据(即第一角位移数据)。
步骤s2、分别对每个第一角位移数据进行快速傅里叶逆变换，得到在每个振动频率对应的整个时域振动周期内的多个采样时刻下，连续平面反射式光链路的第二角位移数据。具体的，分别对每个振动频率工况下的各平面反射镜角位移数据进行快速傅里叶逆变换，得到每个频率工况下各平面反射镜对应的整个时域振动周期内，各采样时刻的平面反射镜面角位移数据(即第二角位移数据)。
步骤s3、利用转动反射矢量理论对每个采样时刻的第二角位移数据分别进行处理，得到每个振动频率对应的多个采样时刻下，连续平面反射式光链路的出口光束偏转量和出口光斑位置。具体的，利用出口光束偏转量处理得到相应的出口光斑位置。
步骤s4、提取每个振动频率下的最大出口光束偏转量和相应的出口光斑位置作为光束抖动评价指标进行图像输出。
通过连续平面反射式光机结构有限元模型，模拟光机结构在实际工况下的动力学响应，并根据结构仿真结果运用转动反射矢量理论，使用关联于平面反射镜的第二角位移数据推导出连续平面反射式光链路出口光束指向的角位移量，实现由外界振动环境得到连续平面反射式光链路的光束抖动量的技术路线，为动态校正连续反射式光链路光束指向提供参考依据，具有与实际偏差小和工程指导性强的优点。
较佳的实施例中，步骤s1包括：
步骤s101、在连续平面反射式光机结构的安装面上耦合一大质量点，将每个振动频率对应的加速度激励分别转换为力激励，并将力激励施加到对应连续平面反射式光机结构的安装面上。在将力激励施加到安装面上时，约束安装面在除激励方向以外方向的位移，以保证对应连续平面反射式光机结构的仿真模型安装面上振动源输入的准确性。
步骤s102、对连续平面反射式光机结构的有限元模型进行模态分析，得到其模态频率及模态振型结果，利用模态叠加法在模态分析结果基础上进行谐响应分析，得到光机结构在每个振动频率下的受迫振动仿真结果。
步骤s103、从仿真结果中提取每个振动频率下所有平面反射镜光轴中心附近多个预设节点的角位移值，取每个平面反射镜上的所有预设节点的角位移值的处理值作为每个平面反射镜的角位移量，每个振动频率下连续平面反射式光链路的所有平面反射镜的角位移量构成第一角位移数据。预设节点为以平面反射镜的光轴中心为圆心，在预设半径范围内的多个点。取每个平面反射镜上所有预设节点角位移值的算术平均值作为处理值。
具体的，对连续平面反射式光机的安装面耦合一个大质量点，并根据“力＝质量×加速度”公式，将加速度激励转换为力激励并反向施加到光机结构的安装面上，后约束安装面上未施加外力方向的位移，以此模拟连续平面反射式光机所处的振动边界条件。
对连续平面反射式光机有限元模型进行模态分析，随后使用模态叠加法进行谐响应分析，得到光机结构在各频率工况下的受迫振动仿真结果。
提取各平面反射镜面中心附近节点的角位移值并取其算术平均值，以此得到各平面反射镜面在各频率工况下的角位移量。
较佳的实施例中，步骤s3中，根据转动反射矢量理论，由时域内平面反射镜面第二角位移数据，计算出各采样时刻下的连续反射光路出口光束矢量p’，具体采用下述公式(1)对每个采样时刻下的第二角位移数据分别进行计算得到出口光束偏转量：
其中，p用于表示连续平面反射式光链路的入射光束矢量，rj用于表示连续平面反射式光链路上第j块平面反射镜的反射矩阵，sxj用于表示连续平面反射式光链路上第j块平面反射镜的绕预设坐标轴的x轴转动的旋转矩阵，syj用于表示连续平面反射式光链路上第j块平面反射镜的绕预设坐标轴的y轴转动的旋转矩阵，szj用于表示连续平面反射式光链路上第j块平面反射镜的绕预设坐标轴的z轴转动的旋转矩阵。
较佳的实施例中，步骤s4中，根据光束抖动数值仿真绘制每个振动频率下的连续平面反射式光链路出口光束偏转量曲线后，将出口光束偏转量曲线作为光束抖动数值仿真结果。具体的，根据连续平面反射式光链路出口光束矢量，提取各振动频率工况(对应的整个时域振动周期内)的出口光束(相对理想未抖动光轴的)最大偏转角，绘制各频率工况下的连续平面反射式光链路出口光束偏转量曲线。
根据光束抖动数值仿真绘制每个振动频率下的连续平面反射式光链路出口光斑位置散点图后，将出口光斑位置散点图作为光束抖动数值仿真结果。具体的，提取各振动频率工况(对应的整个时域振动周期内)的出口光束(相对理想未抖动光轴)产生最大偏转时的光斑位置，绘制各频率工况下的连续平面反射式光链路出口光斑(在与理想未抖动出口光轴垂直平面内的)位置散点图。
根据连续平面反射式光链路出口光束矢量，提取1hz～100hz工作频率范围内100个频率工况(对应的整个时域振动周期内)的出口光束(相对理想未抖动光轴的)最大偏转量，编制软件绘制各频率工况下的距离出光口1米处光斑位置散点图(见图4所示距出光口1米处光轴偏转位)与出口光束偏转量曲线(见图5所示出口光束相对理想光束偏转幅度)。由图5可知，最大角位移发生在45hz处，最大角位移量为1.35mrad。
步骤一，对连续平面反射式光机结构进行振动激励作用下的有限元仿真分析，并提取各分析频率下的反射镜面角位移结果数据；步骤二，对反射镜面角位移数据进行快速傅里叶逆变换，得到时域的反射镜面角位移数据；步骤三，使用转动反射矢量理论计算得出连续反射光路出口光束偏转量；步骤四，提取各工况下，连续反射光路出口最大偏转量及其对应出口光斑位置绘制图像。
该方法实现由外界振动环境得到连续平面反射镜光束抖动量的技术路线，具有与实际偏差小和工程指导性强的特点。
以加速度振动激励值作为外界载荷输入，进行连续平面反射镜的光束抖动数值仿真计算，为动态校正连续反射式光链路光束指向提供控制输入，实现振动环境下连续平面反射式光链路光束指向的动态校正。
通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，基于本发明精神，还可作其他的转换。尽管发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。
对于本领域的技术人员而言，阅读说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。
1.一种连续平面反射式光链路的光束抖动仿真方法，连续平面反射式光链路由位于反射光路上的多个平面反射镜构成，连续平面反射式光链路建立在连续平面反射式光机结构的光学基座安装面上；其特征在于，光束抖动仿真方法包括：
步骤s1、在多个振动频率下，分别对连续平面反射式光机结构进行振动激励下的有限元仿真分析得到相应的仿真结果，从仿真结果中提取连续平面反射式光链路在每个振动频率下的第一角位移数据；
步骤s2、分别对每个第一角位移数据进行快速傅里叶逆变换，得到在每个振动频率对应的整个时域振动周期内的多个采样时刻下，连续平面反射式光链路的第二角位移数据；
步骤s3、利用转动反射矢量理论对每个采样时刻的第二角位移数据分别进行处理，得到每个振动频率对应的多个采样时刻下，连续平面反射式光链路的出口光束偏转量和出口光斑位置；
步骤s4、提取每个振动频率下的最大出口光束偏转量和相应的出口光斑位置作为光束抖动评价指标进行图像输出。
2.根据权利要求1的光束抖动仿真方法，其特征在于，步骤s1包括：
步骤s101、在连续平面反射式光机结构的安装面上耦合一大质量点，将每个振动频率对应的加速度激励分别转换为力激励，并将力激励施加到对应连续平面反射式光机结构的仿真模型安装面上；
步骤s102、对连续平面反射式光机结构的有限元模型进行模态分析，得到其模态频率及模态振型结果，利用模态叠加法在模态分析结果基础上进行谐响应分析，得到连续平面反射式光机结构在每个振动频率下的受迫振动仿真结果；
步骤s103、从仿真结果中提取每个振动频率下所有平面反射镜光轴中心附近多个预设节点的角位移值，取每个平面反射镜上所有预设节点的角位移值的处理值作为每个平面反射镜的角位移量，每个振动频率下连续平面反射式光链路的所有平面反射镜的角位移量构成第一角位移数据。
3.根据权利要求2的光束抖动仿真方法，其特征在于，步骤s101中，在将力激励施加到安装面上时，约束安装面在除激励方向以外方向的位移，以保证仿真模型安装面上振动源输入的准确性。
4.根据权利要求2的光束抖动仿真方法，其特征在于，步骤s103中，预设节点为以平面反射镜的光轴中心为圆心，在预设半径范围内的多个点。
5.根据权利要求2的光束抖动仿真方法，其特征在于，步骤s103中，取每个平面反射镜上所有预设节点角位移值的算术平均值作为处理值。
6.根据权利要求1的光束抖动仿真方法，其特征在于，步骤s3中，采用下述公式对每个采样时刻下的第二角位移数据分别进行计算得到出口光束偏转量：
其中，
p用于表示连续平面反射式光链路的入射光束矢量；
rj用于表示连续平面反射式光链路上第j块平面反射镜的反射矩阵；
sxj用于表示连续平面反射式光链路上第j块平面反射镜的绕预设坐标轴的x轴转动的旋转矩阵；
syj用于表示连续平面反射式光链路上第j块平面反射镜的绕预设坐标轴的y轴转动的旋转矩阵；
szj用于表示连续平面反射式光链路上第j块平面反射镜的绕预设坐标轴的z轴转动的旋转矩阵。
7.根据权利要求1的光束抖动仿真方法，其特征在于，步骤s3中，利用出口光束偏转量处理得到相应的出口光斑位置。
8.根据权利要求1的光束抖动仿真方法，其特征在于，获取连续反射式光机结构主要振动频率范围下的最大出口光束偏转量和相应的出口光斑位置作为光束抖动评价指标进行图像输出。
9.根据权利要求1的光束抖动仿真方法，其特征在于，步骤s4中，根据光束抖动数值仿真绘制每个振动频率下的连续平面反射式光链路出口光束偏转量曲线后，将出口光束偏转量曲线作为光束抖动数值仿真结果。
10.根据权利要求1的光束抖动仿真方法，其特征在于，步骤s4中，根据光束抖动数值仿真绘制每个振动频率下的连续平面反射式光链路出口光斑位置散点图后，将出口光斑位置散点图作为光束抖动数值仿真结果。
技术总结