【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学系统设计，尤其涉及一种长焦距主三镜集成轻量化空间相机的自适应设计方法。
技术介绍
1、空间相机是空间遥感成像技术的核心设备，广泛用于从卫星或航天器上获取地球表面的图像和数据。为了有效监测地球表面的小规模变化，空间相机需要能够从远距离清晰地捕捉地表的细节。因此，长焦距空间相机是空间遥感中常用的成像设备。由于空间相机一般为离轴多反自由曲面系统，因此其表面形状和系统结构的不对称性增加了空间相机的装调难度。为此，需要使用主三镜集成的方法，即将主镜和三镜集成在同一块基板上，达到减轻装调难度的目的。同时，由于空间相机工作条件的限制，需要设计轻量化的空间相机，以降低发射成本和能耗，提高航天器的有效载荷和运行效率。然而，空间相机体积的减小通常会导致成像质量的降低。当前的长焦距空间相机设计方法均未在设计过程中同时平衡装调难度、轻量化和成像质量三者的关系，即没有一个同时保证易装调、轻量化和成像质量的长焦距空间相机设计模型。现阶段针对空间相机结构参数的设计，往往需要依赖于设计者的经验，导致自动化程度较低。尽管有研究者提出使用搜索算法，即在一定范围内搜索出最符合目标函数要求的结构参数。但是，这种方法主要适用于非长焦空间相机，且需要根据经验知识设置结构参数的搜索空间。如果直接使用搜索法获取长焦距空间相机的结构参数，则需要呈指数级地扩大搜索空间，这会严重增加搜索的时间成本，甚至无法搜索到可用的解。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种长焦距主三镜集成
2、为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种长焦距主三镜集成轻量化空间相机的自适应设计方法，包括以下步骤：
3、步骤1：构建自适应镜间距搜索空间；
4、所述自适应镜间距搜索空间的表达式为：
5、|dmax|＝τ1ed (1)
6、dmin|＝τ2ed (2)
7、其中，ed为入瞳直径，τ1和τ2分别为自适应镜间距搜索空间上限和下限的函数权重；dmax和dmin分别为自适应镜间距搜索空间的上限和下限；
8、所述τ1和τ2的表达式为：
9、
10、其中，f为长焦距空间相机的焦距，f表示长焦距空间相机的f数，xfov和yfov分别为长焦距空间相机在x和y方向的最大视场角；和分别为τ1中长焦距空间相机的焦距、f数以及长焦距空间相机在x和y方向最大视场角的权重；和分别为τ2中长焦距空间相机的焦距、f数以及长焦距空间相机在x和y方向最大视场角的权重；和和根据实际需求设定；
11、在式(4)中，的表达式为：
12、
13、其中，n为长焦距空间相机中反射镜的个数；
14、为得到对长焦距空间相机更为适用的自适应镜间距上限，需要使随焦距f的变化而动态地变化，表达式为：
15、
16、所述和的表达式为：
17、
18、其中，τc为随焦距f变化的参数，如下公式所示：
19、
20、步骤2：构建自适应曲率半径搜索空间；
21、使用abcd矩阵法构建出长焦距空间相机的自适应镜间距与光焦度间的光学关系，表达式为：
22、
23、其中，为长焦距空间相机中第n面反射镜的光焦度；为长焦距空间相机中第n-1面反射镜的光焦度；为长焦距空间相机中主镜的光焦度；dn-1为长焦距空间相机中第n-1面反射镜和第n面反射镜之间的距离；a、b、c、d均为长焦距空间相机的光焦度和自适应镜间距的函数；
24、构建自适应曲率半径的目标函数gc，表达式为：
25、
26、其中，in为长焦距空间相机中第n面反射镜的折射率，n为反射镜序号，1≤n≤n；rn为长焦距空间相机中第n面反射镜的自适应曲率半径；
27、将自适应镜间距搜索空间的上限dmax和自适应镜间距搜索空间的下限dmin分别代入式(11)的dn中，分别得到相应的自适应曲率半径组合{rdmax}和{rdmin}，从而获得每面反射镜的自适应曲率半径搜索空间，表达式为：
28、
29、其中，和分别为自适应曲率半径搜索空间的上限和下限；
30、步骤3：构建自适应倾斜角度搜索空间；
31、将顺时针倾斜的倾斜角度定义为正数，逆时针倾斜的倾斜角度定义为负数；构建主镜的自适应倾斜角度搜索空间用绝对值的形式表示为：
32、|α1|∈[0.5arcsin(ed/2/|dmax|),0.5arcsin(ed/|dmin|)] (14)
33、其中，α1表示主镜的倾斜角度；
34、构建次镜的自适应倾斜角度搜索空间；当α2>2α1时，次镜的旋转向量为-1；当α2<2α1时，次镜的旋转向量为1；将入射光线和出射光线之间的夹角定义为锐角，得出次镜自适应倾斜角度的搜索空间，表达式为：
35、
36、其中，α2为次镜的倾斜角度，vs为次镜的旋转向量；
37、构建三镜的自适应倾斜角度搜索空间；计算出入射三镜的光线与出射三镜的光线重合时，三镜的倾斜角度为2(α2-α1)，得出三镜自适应倾斜角度的搜索空间，表达式为：
38、
39、其中，vt为三镜的旋转向量，α3为三镜的倾斜角度；
40、步骤4：构建长焦距空间相机的主三镜距离判别模型，用于评价主三镜的一体化程度；
41、长焦距空间相机的主三镜距离为主镜和三镜之间的最短距离；将主镜和三镜集成在一块基板上进行制造，使主镜和三镜的距离小于设定阈值；定义主三镜距离判别函数gft，表达式为：
42、
43、其中，dft是主镜和三镜之间的最短距离；q为设定的阈值，是一个常数；
44、对于z型结构的长焦距空间相机，将主次镜间距和次三镜间距设置为相等，增加搜索算法的搜索速度，使长焦距空间相机迅速向主三镜一体化的目标收敛；当长焦距空间相机的光路结构的设计要求为z型时，需要在式(17)的基础上额外增加一个镜间距约束条件，即|d1|＝|d2|，d1和d2分别为主次镜间距和次三镜间距；
45、步骤5：构建长焦距空间相机的尺寸目标函数gs用于计算长焦距空间相机的尺寸；
46、基于斯涅耳定律和逆向追迹方法，对(0,0)，(0,yfov/2)，(0,-yfov/2)和(xfov/2,0)视场的中心及边缘光线进行追迹得到每条光线与反射镜及像面的交点坐标，以及全部交点的x，y和z坐标的集合{x}，{y}和{z}，空间相机的尺寸目标函数gs的表达式为：
47、gs＝|max{y}-min{y}|×|max{z}-min{z}|×2max{|x|} (18)
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【技术保护点】
1.一种长焦距主三镜集成轻量化空间相机的自适应设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种长焦距主三镜集成轻量化空间相机的自适应设计方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：
3.根据权利要求2所述的一种长焦距主三镜集成轻量化空间相机的自适应设计方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：
4.根据权利要求3所述的一种长焦距主三镜集成轻量化空间相机的自适应设计方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：
5.根据权利要求4所述的一种长焦距主三镜集成轻量化空间相机的自适应设计方法，其特征在于：所述步骤4的具体方法为：
6.根据权利要求5所述的一种长焦距主三镜集成轻量化空间相机的自适应设计方法，其特征在于：所述步骤5的具体方法为：
7.根据权利要求6所述的一种长焦距主三镜集成轻量化空间相机的自适应设计方法，其特征在于：
8.根据权利要求7所述的一种长焦距主三镜集成轻量化空间相机的自适应设计方法，其特征在于：
【技术特征摘要】
1.一种长焦距主三镜集成轻量化空间相机的自适应设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种长焦距主三镜集成轻量化空间相机的自适应设计方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：
3.根据权利要求2所述的一种长焦距主三镜集成轻量化空间相机的自适应设计方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：
4.根据权利要求3所述的一种长焦距主三镜集成轻量化空间相机的自适应设计方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为...
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