一种用于空间X射线通信的微焦斑装置设计优化方法

技术领域

本发明涉及航天器产品设计技术领域，特别涉及一种用于空间X射线通信的微焦斑装置设计优化方法。

背景技术

空间聚焦型X射线探测器作为深空探测、脉冲星计时与导航、X射线通信等领域的共性基础产品，需求日益迫切。深空探测对高通量实时通信的迫切需求亟需人类开展基于短波光学通信的新体制研究。X射线频率高达 10

此外，X射线通信以其高通量、高穿透性、低损耗、无色散等特性在载人返回舱、高超声速飞行器等领域的黑障区通信方面极具发展潜力。飞行器以高超音速再入大气层，由于粘性流和激波加热的作用，飞行器表面附近的空气被电离，形成包裹飞行器的“等离子鞘套”。等离子体对于电磁波有着强烈的反射和吸收的作用，出现通信“黑障”现象。X射线可几乎以无衰减地穿过飞行器外包裹的等离子鞘套，可解决超高速飞行器或载人返回舱再入大气层遇到的“黑障区”通信问题，具有重要军事意义。

其中，X射线通信光学系统受ATP指向精度与稳定度的影响，聚焦式X 射线光学既需要高准直发射，也需要微焦斑聚焦。传统的掠入射聚焦X射线光学系统(Wolter-I)具有良好的轴上聚焦性能，但随着离轴角度增大，其聚焦性能急剧下降，严重影响了X射线天线的光学增益。传统的掠入射聚焦X 射线光学系统已无法满足空间X射线通信等领域的应用需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有Wolter-I聚焦光学系统的不足，提供了一种空间X射线通信微焦斑装置的设计优化方法，该方法基于所构建的微焦斑最小化优化模型，基于光线矢量方法建立X射线光线传输方程，采用基于蒙特卡洛和X射线反射理论进行多种工况下的聚焦性能仿真分析，通过多变量组合分析获取三种典型工况下的最小化焦斑均方根半径，获得优化设计变量值。

本发明所采用的技术解决方案：

一种用于空间X射线通信的微焦斑装置设计优化方法，包括以下步骤：

(1)确定空间X射线通信微焦斑装置设计优化参数，所述设计优化参数包括X射线镜片倾斜量r、视场F和离焦量Dec为设计变量；

(2)根据步骤(1)确定的空间X射线通信微焦斑装置的设计优化参数，构建空间X射线通信微焦斑装置优化模型；

(3)初始参数化，设置P个X射线光子在光学镜头内表面上的入射位置、光子能量和掠入射角；

(4)确定设计变量取值范围；

(5)利用蒙特卡洛光学追踪法和X射线全反射理论，根据步骤(3)设置的X射线光子入射位置坐标，X光子沿直线掠入射至光学镜片的内表面，通过计算入射点的曲率半径以及入射点到光学镜头中心轴线的距离，得到每个X射线光子的实际掠入射角；

(6)根据每个X射线光子的光子能量计算所述光子的临界入射角，计算得到第p个X射线光子的临界入射角为φ

(7)通过比较每个X射线光子的临界入射角φ

(8)计算所述全反射的X射线光子N

(9)根据步骤(8)计算获得所述光子在镜头内表面上的反射角，根据三角函数计算每个光子到达探测器焦平面的位置坐标；

(10)X射线微焦斑聚焦性能分析，开展空间X射线通信微焦斑装置设计。

进一步的，所述步骤(2)中，空间X射线通信的微焦斑装置设计优化模型建立过程如下：

(2a)以50％视场～100％视场范围焦斑均方根半径最小为优化目标；

(2b)设定典型工作场景，F＝50％视场、80％视场、100％视场，同时在仿真分析过程中镜片倾斜量和离焦量组合变化，设每个X光子在焦平面上的位置坐标(X

(2c)根据步骤(2b)构建空间X射线通信的微焦斑装置设计优化模型：

进一步的，所述步骤(5)中，蒙特卡洛光学追踪法和X射线全反射计算，具体过程如下：

(5a)在X射线光学系统前端距离d处建立坐标系，模拟脉冲星辐射的X 射线光子从无穷远处以平行光入射，所构建的坐标系以光轴方向为Z轴，XY 轴满足右手定则；

(5b)在d处垂直光轴的平面内随机生成N个样本点，与光轴Z以夹角θ入射X射线光学镜头内表面，经单次反射后聚焦于焦平面；

(5c)构建入射光线、反射光线矢量方程：

设定入射光子三维坐标(X

(5d)构建X射线光学系统面形方程：

X射线掠入射反射镜的面形公式为：

其中，c表示面形顶点曲率，k是二次曲面系数，当k＝-1时，公式表示的面形是抛物面；r是坐标系径向半径，z是面形矢高；

(5e)计算入射光线与X射线光学系统面形交点：

联立空间直线与X射线光学系统面形方程，即可求出X光子入射到X射线光学系统面形的交点(X

(5f)对面形公式计算偏导，获得每个入射点的法向量：

(5g)构建法线方程

(5h)计算反射光线

设定反射光线的方向向量为(n

根据入射角等于反射角，向量积法则，|α×β|＝|α|·|β|sinθ,θ＝(α，β)，根据该式求出反射光线的方向向量，入射向量与切平面法向量的差积，该差积与反射光线向量垂直，点积为0，据此可构建X射线反射光线的直线方程；

(5i)通过上述过程计算反射光线与焦平面的交点(X

根据所述步骤(3)以及焦平面所在平面方程，即可计算出每个聚焦X射线光子在焦平面上的三维坐标(X

进一步的，所述步骤(10)中，对X射线微焦斑聚焦性能分析，具体评价过程如下：

(9a)根据所述(5j)计算出的反射光线与焦平面的焦点(X

(9b)根据镜片倾斜量和离焦量的矩阵组合，综合分析多组合下每次仿真分析所对应的d

(9c)计算三种典型工作场景下的焦斑均方根最小化值，并确定所对应的设计参数值。

进一步的，步骤(2)中，优化模型以微焦斑均方根半径为优化目标，建立优化模型：

其中，k＝1、2、3，分别对应50％视场、80％视场和100％视场三种典型工况，优化目标函数表示为Min(RMS)，即最小化X射线光学聚焦微焦斑均方根半径RMS；d

进一步的，步骤(3)中，第p个光子的入射位置坐标分别为x

进一步的，步骤(5)中，第p个X射线光子的实际掠入射角

其中，其中，R

进一步的，步骤(4)中，设定X射线聚焦光学的视场F分别为50％、80％和100％三种典型应用场景，设定微焦斑的前后移动范围为-10mm≤Dec≤ 10mm，镜片倾斜量Tilt取值范围为[-5’,5’]。

进一步的，步骤(6)中，

其中，f

进一步的，步骤(8)中，

其中，α

进一步的，步骤(10)中，综合变化镜片倾斜量和离焦量并计算每种仿真分析结果所对应的聚焦焦斑RMS均方根半径，记录每轮的RMS最小值，然后综合计算出所有最小值RMS中的最小值，及其对应的设计参数，开展空间X 射线通信微焦斑装置设计。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)在本发明的X射线聚焦光学系统中，首次构建了以三种典型工况下的微焦斑均方根最小化为目标的优化模型，确定了以镜片倾斜量和离焦量多变量组合的总体仿真分析方案，为设计与决策人员提供了更多选择；

(2)本发明基于光线矢量方程构建了任意面形X射线掠入射光学系统仿真方程，解决了传统光学仿真软件无法同时模拟X射线光子能量和反射率等特征信息的难题，可实现高效率、多维度信息的一体化仿真分析，更接近于工程实际，为工程设计人员提供高可信的技术支撑；

(3)本发明采用蒙特卡洛法和X射线全反射理论实现不同参数组合条件下 X射线聚焦光学系统的微焦斑仿真分析，可实现高增益的X射线通信用微焦斑装置的设计优化结果，提高了航天产品开发效率，降低了研制成本。

附图说明

图1为本发明用于空间X射线通信的微焦斑装置设计优化方法的流程图；

图2为本发明中X射线光学系统光线追迹模型示意图；

图3为本发明中X射线掠入射光线追迹仿真分析图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1-3所述，本发明对空间X射线通信的微焦斑装置进行设计优化，以光学系统的微焦斑均方根半径为优化目标，以镜片倾斜量和离焦量为设计变量，充分考虑X射线光子能量和反射率的特征信息，针对50％、80％和100％视场三种典型工况，构建了空间X射线通信的微焦斑装置设计优化模型，采用蒙特卡洛法和X射线全反射理论进行光线追迹，进行多组合参数仿真分析与优化。本发明避免传统X射线光学仿真分析方法仅考虑单一能量的X射线光子，且不考虑X光线光子反射率的缺陷；采用蒙特卡洛法实现不同参数组合条件下X射线聚焦光学系统的微焦斑优化，获得高增益的X射线通信用微焦斑装置的设计优化，为设计人员提供更多合理的选择。

如图1所示的流程图，本发明的一种用于空间X射线通信的微焦斑装置设计优化方法，包括以下步骤：

一种用于空间X射线通信的微焦斑装置设计优化方法，包括以下步骤：

(1)确定空间X射线通信微焦斑装置设计优化参数，所述设计优化参数包括X射线镜片倾斜量r、视场F和离焦量Dec为设计变量；

(2)根据步骤(1)确定的空间X射线通信微焦斑装置的设计优化参数，构建空间X射线通信微焦斑装置优化模型，优化模型以微焦斑均方根半径为优化目标，建立优化模型：

其中，k＝1、2、3，分别对应50％视场、80％视场和100％视场三种典型工况，优化目标函数表示为Min(RMS)，即最小化X射线光学聚焦微焦斑均方根半径(RMS)；d

(3)初始参数化，设置P个X射线光子在光学镜头内表面上的入射位置、光子能量和掠入射角，其中，第p个光子的入射位置坐标分别为x

(4)确定设计变量取值范围，设定X射线聚焦光学的视场F分别为50％、 80％和100％三种典型应用场景，设定微焦斑的前后移动范围为-10mm≤Dec≤ 10mm，镜片倾斜量Tilt取值范围为[-5’,5’]。

(5)利用蒙特卡洛光学追踪法和X射线全反射理论，根据步骤(3)设置的X射线光子入射位置坐标，X光子沿直线掠入射至光学镜片的内表面，通过计算入射点的曲率半径以及入射点到光学镜头中心轴线的距离，得到每个X射线光子的实际掠入射角。第p个X射线光子的实际掠入射角

其中，其中，R

(6)根据每个X射线光子的光子能量计算所述光子的临界入射角，其中，计算得到第p个X射线光子的临界入射角为φ

其中，f

(7)通过比较每个X射线光子的临界入射角φ

(8)计算所述全反射的X射线光子N

其中，α

(9)根据步骤(8)计算获得所述光子在镜头内表面上的反射角，根据三角函数计算每个光子到达探测器焦平面的位置坐标。

(10)X射线微焦斑聚焦性能分析，综合变化镜片倾斜量和离焦量并计算每种仿真分析结果所对应的聚焦焦斑(RMS)均方根半径。记录每轮的RMS最小值，然后综合计算出所有最小值RMS中的最小值，及其对应的设计参数，开展空间X射线通信微焦斑装置设计。

步骤(2)中，空间X射线通信的微焦斑装置设计优化模型建立过程如下：

(2a)以50％视场～100％视场范围焦斑均方根半径最小为优化目标；

(2b)设定典型工作场景，F＝50％视场、80％视场、100％视场，同时在仿真分析过程中镜片倾斜量和离焦量组合变化，设每个X光子在焦平面上的位置坐标(X

(2c)根据步骤(2b)构建空间X射线通信的微焦斑装置设计优化模型：

步骤(5)中，蒙特卡洛光学追踪法和X射线全反射计算，具体过程如下：

(5a)在X射线光学系统前端距离d处建立坐标系(d＝100mm)，模拟脉冲星辐射的X射线光子从无穷远处以平行光入射，所构建的坐标系以光轴方向为Z轴，XY轴满足右手定则；

(5b)在d处垂直光轴的平面内随机生成N个样本点，与光轴Z以夹角θ入射X射线光学镜头内表面，经单次反射后聚焦于焦平面；

(5c)构建入射光线、反射光线矢量方程：

设定入射光子三维坐标(X

(5d)构建X射线光学系统面形方程：

X射线掠入射反射镜的面形公式为：

其中，c表示面形顶点曲率，k是二次曲面系数，当k＝-1时，公式表示的面形是抛物面；r是坐标系径向半径，z是面形矢高；

(5e)计算入射光线与X射线光学系统面形交点：

联立空间直线与X射线光学系统面形方程，即可求出X光子入射到X射线光学系统面形的交点(X

(5f)计算每个入射点的法向量：

(5g)构建法线方程

(5h)计算反射光线

设定反射光线的方向向量为(n

根据入射角等于反射角，向量积法则，|α×β|＝|α|·|β|sinθ,θ＝(α，β)，根据该式求出反射光线的方向向量，入射向量与切平面法向量的差积：(该差积与反射光线向量垂直，点积为0)，据此可构建X射线反射光线的直线方程；

(5i)通过上述过程计算反射光线与焦平面的交点(X

根据所属(3)以及焦平面所在平面方程，即可计算出每个聚焦X射线光子在焦平面上的三维坐标(X

步骤(10)中，对X射线微焦斑聚焦性能分析，具体评价过程如下：

(9a)根据所属(5j)计算出的反射光线与焦平面的焦点(X

(9b)根据镜片倾斜量和离焦量的矩阵组合，综合分析多组合下每次仿真分析所对应的d

(9b)计算三种典型工作场景下的焦斑均方根最小化值，并确定所对应的设计参数值。

图2为采用X射线全反射理论和矢量法进行的蒙特卡洛法光线追迹过程示意图。其中，X

图3是基于本专利所提方法进行的X射线掠入射光线追迹仿真分析图。其中，X和Y轴分别表示光路横截面坐标轴，Z轴为X射线聚焦光学系统的光轴。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。