基于小波包方法的超声速气膜气动光学效应相干结构

当高速成像制导导弹在大气中飞行时,其光学窗口承受着严重的气动加热。超声速气膜冷却方法可以有效地隔离外部加热,但是超声速气膜流动会引起光束退化,降低图像质量。为了研究超声速气膜气动光学效应,本文构建了主流马赫数为3.4,设计喷流马赫数为2.5,实际测得喷流马赫数为2.45的超声速气膜实验装置。利用基于纳米粒子的平面激光散射技术获得了高时空分辨率流场图像,并对气膜冷却流动的密度场进行重构,利用光线追迹法获取了对应密度场的光程差。通过将光程差分布和K-H涡对比后发现,光程差的波谷位置对应于涡卷的中心,而光程差的波峰对应于涡卷中心之间的连接部分。但是,随着涡结构的发展破碎,对应关系不再成立。根据超声速气膜NPLS流场图像结果,利用分形原理获取的分形维数结果,将其沿流向划分为三个区域,其对应平坦度分别为3.4,2.9,3.6,验证了区域2更适合进行相干结构提取。     

超声速湍流边界层气动光学效应的实验研究

当光线穿过超声速湍流边界层时受到湍流密度脉动的影响,其传播方向和相位会发生变化,使得目标图像出现模糊、偏移和抖动等现象,给目标识别带来困难。利用基于背景导向纹影（Background Oriented Schlieren,BOS）原理开发的基于BOS的波前传感（BOS-based Wavefront Sensor,BOS-WS）技术获得了光波通过马赫数Ma=3.0的超声速湍流边界层后的波前。基于波动光学原理计算出相应的点扩散函数（Point Spread Function,PSF）分布以及退化图像,研究结果表明:测量得到的波前结果对应的PSF与理想平面波前对应的PSF相比,在峰值的大小、所在位置及形态上变化较大,PSF峰值出现衰减,PSF峰值位置出现较为明显的偏移,PSF形态出现多峰现象,湍流边界层内密度分布较强的空间随机性得到体现,经此PSF处理后的图像出现一定程度的退化。