[发明专利]一种用于空间X射线通信的微焦斑装置设计优化方法

说明书

本发明提供了一种用于空间X射线通信的微焦斑装置设计优化方法，该方法以光学系统的微焦斑均方根半径为优化目标，以视场、离焦量和镜片倾斜量为设计变量，充分考虑X射线光子能量和反射率的特征信息，构建了空间X射线通信的微焦斑装置设计优化模型，基于蒙特卡洛法实现空间X射线通信用的微焦斑装置的设计优化。本发明一方面避免传统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；另一方面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。

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 10¹⁸Hz，可以实现高通量、低色散、低损耗通信，是一种极具发展前景的通信技术，目前美国已在国际空间站、ESA在水星探测计划中开展X射线通信技术验证。

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_p；

(7)通过比较每个X射线光子的临界入射角φ_p与所述光子的实际掠入射角判定该入射的X射线光子是否发生全反射，如果则认定该X射线光子发生全反射，并统计全反射的光子数N_total；