基于x射線光學(xué)仿真的掠入射光學(xué)系統(tǒng)聚焦性能分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及航天器產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及基于X射線光學(xué)仿真的掠入射光 學(xué)系統(tǒng)聚焦性能分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著軍事需求的驅(qū)動、資源探測和科學(xué)探索的需要，X射線脈沖星導(dǎo)航技術(shù)得到了 飛速發(fā)展。X射線脈沖星導(dǎo)航儀作為該領(lǐng)域的核屯、載荷，其空間分辨率、時間分辨率、導(dǎo)航精 度等性能指標(biāo)不斷提高，導(dǎo)航儀性能要求的提升也決定了對整個裝置的光學(xué)系統(tǒng)與支撐結(jié) 構(gòu)的穩(wěn)定度和尺寸提出了更為苛刻的要求。與此同時，隨著小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，對X射線脈 沖星導(dǎo)航儀的輕量化程度要求卻持續(xù)增長。而X射線脈沖星導(dǎo)航儀的設(shè)計設(shè)及到光、機(jī)、熱 多個學(xué)科，是一個多學(xué)科相互作用，綜合權(quán)衡的過程。因此，如何對X射線脈沖星導(dǎo)航裝置 進(jìn)行光學(xué)仿真分析與聚焦性能評價是研制高性能儀器的基礎(chǔ)。
[0003] 掠入射型X射線光學(xué)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)相比，具有W下不同點；（1)掠入射全 反射臨界角隨能量增大非線性減??；（2)特定能量的X射線，反射率隨入射角增大非線性減 ?。唬?)掠入射角一定時，反射率隨能量的增大非線性銳減；(4)對光學(xué)鏡頭表面粗趟度要 求苛刻，必須達(dá)到InmW下才能發(fā)生全反射，因此對鏡頭面形要求高。
[0004] 而現(xiàn)有的X射線光學(xué)仿真與評價方法大多仍采用傳統(tǒng)的針對其它波段（如可見 光、紅外、紫外等）的光學(xué)仿真與評價方法。并未考慮X射線的反射率與入射角和X射線能 量的關(guān)系，該將導(dǎo)致兩個問題；（1)現(xiàn)有光學(xué)仿真方法或商業(yè)軟件只能每次分析某單一能 量的X射線，并且無法考慮反射率信息，對于0. 1-lOkeV寬能段的Wolter-I型X射線望遠(yuǎn) 鏡而言，其工作量巨大，嚴(yán)重阻礙了在航天工程中的應(yīng)用。（2)采用傳統(tǒng)的光學(xué)評價方法并 不能真正反映X射線聚焦性能，因為對于寬波段的X射線而言，由于其連續(xù)性，采用離散的 仿真方法不利于工程實現(xiàn)，其次由于并未考慮能量與反射率間的關(guān)系，其聚焦評價方法無 法如實反映實際情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在與克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了基于X射線光學(xué)仿真的掠入射光 學(xué)系統(tǒng)聚焦性能分析方法。該方法充分考慮了X射線光子能量和反射率的特征信息，避免 了現(xiàn)有技術(shù)中僅考慮單一能量X射線光子，而不考慮反射率的缺陷，可W實現(xiàn)更接近X射線 脈沖星導(dǎo)航裝置的工程實際情況，提高了X射線光學(xué)仿真的效率。
[0006] 本發(fā)明的上述目的通過W下的技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0007] 基于X射線光學(xué)仿真的掠入射光學(xué)系統(tǒng)聚焦性能分析方法，包括W下步驟：
[0008](1)、設(shè)置P個X射線光子在光學(xué)鏡頭內(nèi)表面上的入射位置、光子能量和掠入射角， 其中，第P個光子的入射位置坐標(biāo)分別為Xp、y。、Zp，所述坐標(biāo)系的原點設(shè)定為探測器中屯、， Z軸設(shè)定為光學(xué)鏡頭的中屯、軸線；第P個光子的光子能量為Ep，Ep在設(shè)定的能量范圍Emi。~ Em"內(nèi)隨機(jī)分布；第P個光子的掠入射角為0P，0p在設(shè)定的角度范圍0mi。~0 內(nèi)隨機(jī) 分布；p= l、2、…、P，P為設(shè)定的X射線光子樣本量；
[0009](2)、根據(jù)步驟（1)設(shè)置的X射線光子入射位置坐標(biāo)，計算每個所述光子在光學(xué)鏡 頭內(nèi)表面入射點處的鏡頭曲率半徑，W及所述入射點到光學(xué)鏡頭中屯、軸線的距離；其中， TP為第P個光子入射點處的鏡頭曲率半徑；dp為第P個光子在光學(xué)鏡頭內(nèi)表面入射點到光 學(xué)鏡頭中屯、軸線的距離；P= 1、2、…、P;具體計算公式如下：
[0010]
【主權(quán)項】
1.基于X射線光學(xué)仿真的掠入射光學(xué)系統(tǒng)聚焦性能分析方法，其特征在于包括以下步 驟： (1) 、設(shè)置P個X射線光子在光學(xué)鏡頭內(nèi)表面上的入射位置、光子能量和掠入射角，其 中，第P個光子的入射位置坐標(biāo)分別為Xp、y p、Zp，所述坐標(biāo)系的原點設(shè)定為探測器中心，Z軸 設(shè)定為光學(xué)鏡頭的中心軸線；第P個光子的光子能量為E p，Ep在設(shè)定的能量范圍E min~E _ 內(nèi)隨機(jī)分布；第P個光子的掠入射角為θρ，θρ在設(shè)定的角度范圍θ min~θ _內(nèi)隨機(jī)分 布；ρ = 1、2、"·、Ρ，Ρ為設(shè)定的X射線光子樣本量； (2) 、根據(jù)步驟（1)設(shè)置的X射線光子入射位置坐標(biāo)，計算每個所述光子在光學(xué)鏡頭內(nèi) 表面入射點處的鏡頭曲率半徑，以及所述入射點到光學(xué)鏡頭中心軸線的距離；其中，&為 第P個光子入射點處的鏡頭曲率半徑；d p為第ρ個光子在光學(xué)鏡頭內(nèi)表面入射點到光學(xué)鏡 頭中心軸線的距離；P = 1、2、…、P ;具體計算公式如下：
(3) 、根據(jù)步驟（2)計算得到的X射線光子在光學(xué)鏡頭內(nèi)表面入射點處的鏡頭曲率半徑 和入射點到光學(xué)鏡頭中心軸線的距離，計算每個X射線光子的實際掠入射角；其中，計算得 到第P個X射線光子的實際掠入射角為％，P = 1、2、"·、Ρ; (4) 、根據(jù)每個X射線光子的光子能量計算所述光子的臨界入射角，其中，計算得到第ρ 個X射線光子的臨界入射角為Φρ，Ρ = 1、2、"·、Ρ ; (5) 、將每個X射線光子的臨界入射角與所述光子的實際掠入射角進(jìn)行比較，確定所 述光子是否發(fā)生全發(fā)射，并對發(fā)生全發(fā)射的光子進(jìn)行計數(shù)，得到到達(dá)探測器的光子總數(shù) Ntotal; (6) 、對步驟（5)統(tǒng)計得到Nttrtal個發(fā)生全反射的X射線光子，進(jìn)行如下計算，得到每個 所述光子在鏡頭內(nèi)表面上的反射角：
其中，α,為第q個發(fā)生全反射的X射線光子在鏡頭內(nèi)表面上的反射角，供/為第q個發(fā) 生全反射的X射線光子的實際掠入射角，St/為第q個發(fā)生全反射的X射線光子的掠入射 角；其中，q = 1，2，…，Ntotal; (7) 、根據(jù)步驟（6)計算得到的每個所述光子在鏡頭內(nèi)表面上的反射角，計算每個光子 在徑向和軸向方向上傳播的分速度；然后根據(jù)軸向分速度、焦距和光子的Z坐標(biāo)值，計算得 到每個所述光子到達(dá)探測器焦平面的飛行時間；再根據(jù)運動方程計算得到每個發(fā)生全反射 的光子到達(dá)探測器焦平面后的坐標(biāo)值；其中，計算得到第q個發(fā)生全反射的X射線光子到達(dá) 探測器焦平面后的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)分別為·^、，q = 1，2，…，Ntotal; (8) 、計算X射線光學(xué)聚焦性能參數(shù)，具體計算公式如下：
其中，RMS為X射線光學(xué)聚焦性能參數(shù)的彌散斑均方根半徑；r,為第q個發(fā)生全反射的 X射線光子到達(dá)探測器焦平面后的位置與探測器中心之間的距離，即
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于X射線光學(xué)仿真的掠入射光學(xué)系統(tǒng)聚焦性能分析方法， 其特征在于：在步驟（3)中，第p個X射線光子的實際掠入射角％的計算公式如下：
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于X射線光學(xué)仿真的掠入射光學(xué)系統(tǒng)聚焦性能分析方法， 其特征在于：在步驟（4)中，第p個X射線光子的臨界入射角Φ ρ的計算公式如下：
其中，4為設(shè)定的光學(xué)鏡頭材料的散射因子。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于X射線光學(xué)仿真的掠入射光學(xué)系統(tǒng)聚焦性能分析方法， 其特征在于：在步驟（5)中，通過如下方法確定X射線光子是否發(fā)生全反射并進(jìn)行計數(shù)：如 果第P個X射線光子的實際掠入射角大于所述光子的臨界入射角，即％ >《，則判斷所述 光子發(fā)生全反射并到達(dá)探測器，然后將到達(dá)探測器的光子總數(shù)Nttrtal加1，即Nttrtal= Nt()tal+1 ; 其中設(shè)定Nttrtal的初值為O ;p = 1、2、"·、Ρ。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于X射線光學(xué)仿真的掠入射光學(xué)系統(tǒng)聚焦性能分析方法， 其特征在于：在步驟（7)中，根據(jù)步驟（6)計算得到的每個所述光子在鏡頭內(nèi)表面上的反 射角，計算每個光子在徑向和軸向方向上傳播的分速度；然后根據(jù)軸向分速度、焦距和光子 的Z坐標(biāo)值，計算得到每個所述光子到達(dá)探測器焦平面的飛行時間；再根據(jù)運動方程計算 得到每個發(fā)生全反射的光子到達(dá)探測器焦平面后的坐標(biāo)值；具體計算過程如下： (7a)、計算X射線光子沿光軸方向和徑向方向的分速度，具體計算公式如下： \ι= V 〇*cos(a q)； \2= V 〇*sin(a q)； 其中，Vtu為第q個發(fā)生全反射的X射線光子沿光軸方向的分速度，Vu為第q個發(fā)生 全反射的X射線光子沿徑向方向的分速度，Vtl為設(shè)定的光速；其中，q = 1，2，…，Nttrtal; (7b)、計算每個發(fā)生全反射的X射線光子到達(dá)探測器焦平面的飛行時間：
其中，Tq為第q個發(fā)生全反射的X射線光子到達(dá)探測器焦平面的飛行時間，f為設(shè)定的 光學(xué)系統(tǒng)焦距；z,'為第q個發(fā)生全反射的X射線光子初始入射時的Z坐標(biāo)；其中，q = 1， 2，…，Ntotal; (7c)、計算每個發(fā)生全反射的X射線光子到達(dá)探測器焦平面時的位置坐標(biāo)，具體計算 公式如下：
其中，天/、免/分別為第Q個發(fā)生全反射的X射線光子到達(dá)探測器焦平面后的X坐標(biāo)和 Y坐標(biāo)；χ/和y,'分別為第q個發(fā)生全反射的X射線光子初始入射時的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)； 其中，q - 1，2，…，Nttjtal。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于X射線光學(xué)仿真的掠入射光學(xué)系統(tǒng)聚焦性能分析方法， 其特征在于：根據(jù)發(fā)生全反射的光子數(shù)目Ntotal與設(shè)定的X射線光子樣本量P之間的比值計 算得到X射線光子的100%能量集中度_
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于X射線光學(xué)仿真的掠入射光學(xué)系統(tǒng)聚焦性能分析方法， 其特征在于：在步驟（7)計算得到發(fā)生全反射的X射線光子到達(dá)探測器焦平面后的X坐標(biāo) 和Y坐標(biāo)后，以探測器中心為圓心，并以4^ Λ半徑在探測器焦平面上確定一個圓，統(tǒng)計進(jìn) λ 入所述圓內(nèi)的光子數(shù)目，即所述個X射線光子到達(dá)探測器焦平面后的位置與 探測器中心之間的距離小于或等于f。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于X射線光學(xué)仿真的掠入射光學(xué)系統(tǒng)聚焦性能分析方法， 其特征在于：根據(jù)到達(dá)探測器焦平面后的位置與探測器中心之間的距離小于或等于f的 光子數(shù)目#4/2與設(shè)定的X射線光子樣本量P之間的比值，計算得到X射線光子的50 %能 量集中度：
【專利摘要】本發(fā)明提供了基于X射線光學(xué)仿真的掠入射光學(xué)系統(tǒng)聚焦性能分析方法，該方法充分考慮了X射線光子能量和反射率的特征信息，避免了現(xiàn)有技術(shù)中僅考慮單一能量X射線光子，而不考慮反射率的缺陷，可以實現(xiàn)更接近X射線脈沖星導(dǎo)航裝置的工程實際情況，提高了X射線光學(xué)仿真與分析的效率；采用本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)聚焦性能分析方法，可以分別對熱形變、結(jié)構(gòu)形變或熱-結(jié)構(gòu)耦合形變情況下的光學(xué)系統(tǒng)聚焦性能進(jìn)行分析，得到不同情況下光學(xué)系統(tǒng)的彌散斑均方根半徑、100％能量集中度和50％能量集中度，從而量化了不同形變對光學(xué)系統(tǒng)聚焦性能的影響程度，為產(chǎn)品的可靠性設(shè)計與優(yōu)化提供了理論支持。
【IPC分類】G01C25-00, G01M11-02
【公開號】CN104865050
【申請?zhí)枴緾N201510243043
【發(fā)明人】李連升, 梅志武, 呂政欣, 左富昌, 鄧樓樓, 莫亞男
【申請人】北京控制工程研究所
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年5月13日