[發明專利]一種基于多場耦合分析的脈沖星探測器多目標優化方法

有效

• 申請號: 201710115378.X
• 申請日: 2017-03-01
• 公開（公告）號: CN106989742B
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發明（設計）人: 李連升;鄧樓樓;梅志武;呂政欣;左富昌;譚民濤;孫艷;席同鑫;張海力
• 申請（專利權）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: G01C21/02
• 分類號: G01C21/02;G01C25/00
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 陳鵬

一種基于多場耦合分析的脈沖星探測器多目標優化方法，基于X射線全反射理論、多場耦合特性分析，建立了以探測靈敏度和重量最小化為目標的多目標優化模型，采用基于遺傳算法的Pareto方法進行多目標優化，獲得了產品多目標Pareto非劣解集；基于優化數據驅動三維建模，并建立了X射線脈沖星探測器光機熱耦合分析模型，同時施加熱、結構環境條件，獲得了產品的應力與位移分布，提取光學鏡頭面形的形變量，并利用多項式擬合法獲得了變形后的光學系統面形，基于光線追蹤法對其聚焦性能進行了分析。本發明實現了X射線脈沖星探測器從建模、分析到設計優化整個過程的自動化，并獲得了產品的多目標pareto解集，提高了設計效率并為設計人員提供更多合理的選擇。

技術領域

本發明涉及航天器產品設計技術領域，特別涉及一種用于X射線脈沖星探測器的多目標設計優化方法。

背景技術

隨著我國航天技術的發展以及未來軍事需求的驅動，深空探測、科學探索以及小衛星編隊等型號任務的實施都需航天器的自主導航技術，而X射線脈沖星導航技術是一種極具發展潛力的自主導航技術。X射線脈沖星導航的實現主要依賴于輕量化、高靈敏度的脈沖星探測器的研制。日益苛刻的深空環境以及航天器微型化的發展趨勢迫切需要研制輕量化且高靈敏度的X射線脈沖星探測器。實際上，X射線脈沖星探測器是一種典型的光機電熱磁等涉及多學科的復雜產品，學科間耦合嚴重，設計目標多且存在不同程度的沖突，其研制是一種多物理場耦合作用、多目標相互協調的過程。

傳統的脈沖星探測器設計過程往往只開展諸如結構、熱學、光學等單一物理場的分析，割裂了產品天然耦合的固有特性，忽略了多物理場之間的耦合效應，導致脈沖星探測器的分析結果無法真實反映實際情況。目前的脈沖星探測器設計優化尚存如下兩個問題：其一、目前還局限于開展單目標優化，比如光學性能最優、重量最輕、面積最大等。隨著產品復雜程度的提高，單目標已不能綜合反映產品性能的優劣，實際工程中更加注重多目標的綜合優化，在工程上更加合理化。其二、目前的優化大都局限于基于數學模型的優化，或建立在單物理場有限元分析的基礎上，獲得的最優解僅具有數學意義或只能反映在某一物理場影響下的最優解，而不能獲得綜合考慮多物理場間的耦合效應以及多目標間的沖突特性的整體折中優化解。因此，本專利提出一種基于多場耦合分析的脈沖星探測器多目標優化方法。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種基于多場耦合分析的脈沖星探測器多目標優化方法，該方法基于所構建的數學優化模型，采用基于遺傳算法的Pareto法對X射線脈沖星探測器進行了綜合優化，獲得非劣解集，并對基于選擇的優化解進行產品設計，通過多場耦合分析驗證多目標優化解是否滿足設計要求。該法實現了產品在設計階段就充分考慮多場耦合效應，并獲得了優化解集，實現了產品自建模、優化與分析整個過程的自動化，提高了設計效率，解決了實際工程中“試湊”法造成的設計反復，降低了研制成本，并為設計人員提供了更多選擇。

本發明所采用的技術解決方案：一種基于多場耦合分析的脈沖星探測器多目標優化方法，包括以下步驟：

(1)選定X射線脈沖星探測器的設計參數，所述設計參數包括光學系統中鏡片嵌套層數i，鏡片厚度w，光學鏡片長度L，鏡筒內直徑D_ti，鏡筒厚度t，探測器半徑R_E，光子最佳掠入射角θ；其中，i＝1，2，3，…，n；n為正整數；

(2)根據步驟(1)確定的X射線脈沖星探測器的設計參數，構建X射線脈沖星探測器優化模型，優化模型包括重量最小化W_min和探測靈敏度最小化F_min：