基于湍流涡模型的气动光学效应影响参数分析

湍流是流体力学中公认的难题,目前仍缺乏可靠的湍流模型对复杂流场进行准确数值预测,使真实飞行器外绕流流场对所载光学系统的气动光学效应分析相当复杂和困难。在湍流球涡模型的基础上,结合湍流物理几何特性和计算流体力学结果,引入真实流场条件,建立了一个新的气动光学效应仿真模型,分析了部分光学系统参数、流场参数对气动光学效应的影响。该仿真模型能根据不同的湍流状况调整参数,并能得到气动光学效应的多种仿真输出。结果表明,该模型能直观快速地分析气动光学效应随光学系统参数和湍流部分动力学行为的变化规律,其结论能为系统设计、试验指导和后期图像校正提供理论依据。     

基于涡结构的气动光学传输效应研究

湍流是具有多尺度特征的一种涡结构运动,而且大尺度涡结构是造成气动光学传输效应的主要原因.提出基于折射率场分别对不同尺度的涡结构进行光学传输特性建模.把湍流密度场转换为的折射率场等效为具有丰富纹理信息的灰度图像,进而对其进行多小波分解,计算每次分解的小波基系数的熵值,利用阈值判定低熵的为大尺度涡,高熵的为小尺度涡;再利用光线追迹法建立大尺度涡结构的光学传输模型,利用统计光学法建立小尺度涡结构的传输模型,最后得到综合的光学传输模型.该方法是根据湍流的物理结构进行建模,不仅能提高计算效率和计算精度,而且具有较高的工程实用价值.     

黄土高原的近地小尺度大气结构

本文通过对９３年两个代表月在黄土高原的系留探测数据的分析，说明了黄土高原的近地小尺度大气结构是近地大气湍活动形成的，其出现概率，尺度和沿高度的分布因季节和时间的不同而不同。     

基于涡球模型的湍流气动光学效应预测方法

摘 要: 气动光学效应工程预测中通常采用的RANS方法无法提供流场涡结构的细节,因而难以模拟脉动结构对光学传输的影响。改进了一种基于涡球模型的随机相位屏方法,根据流场的统计平均特性在其中布置涡球,以模拟瞬态涡结构分布对气动光学的影响。改进的主要思路是建立涡球参数与流动统计特性之间的关联,应用涡球所在位置的密度脉动均方根值和脉动尺度确定涡球与周围流体的密度差和涡球的直径,避免了原有方法在脉动较弱的区域布置大尺度涡球的可能,更接近于物理实际。对可压缩剪切层流场光学畸变模拟的结果表明:改进后的随机相位屏方法得到的光学畸变程度与光强直接积分结果更为一致,相对原始方法,计算精度有明显的提高。     

基于小波分解和信息熵的涡结构识别方法

利用涡结构对光波通过高速流场的光学传输特性进行建模，就必须进行涡结构的识别。文中提出一种涡结构识别方法，首先把密度场转换的折射率场等效为具有丰富纹理信息的灰度图像，进而对其进行多小波分解，计算每次分解的小波基系数的熵值，利用阈值判定低熵的为大涡的小波基系数，高熵的为小涡的小波基系数。计算机仿真结果表明，该方法能有效地进行涡结构识别，为基于涡结构的光学传输精确建模奠定了基础。     

高空湍流影响下航空激光传输性能分析

采用“Clear 1”折射率起伏湍流模型对高空大气湍流进行描述,通过仿真建立了高空湍流信道气动光学效应影响模型,分析了光斑尺寸与飞行高度、激光波长、传输距离的关系;研究了gamma-gamma大气湍流信道下光强闪烁因子随接收孔径尺寸、飞行参数的变化特征。结果表明:①光斑尺寸受气动光学影响而增大,低空传输条件下光斑尺寸大于高空;②光斑尺寸随波长增加而增大;在相同条件下,波长为800 nm激光的光斑尺寸受气动光学影响最大;③闪烁指数仅与接收孔径大小有关,并随着传输距离的增大而逐渐增加,当闪烁指数超过1,其增加幅度降低并逐渐达到最大值。     

基于小波变换和共生矩阵的涡结构识别

提出一种新的涡结构识别方法。把折射率场经小波变换后的系数矩阵等效为具有一定纹理结构的图像,计算其共生矩阵及其统计量,以此进行涡结构识别。与小波分解后直接提取特征量的识别方法相比,该方法从空、频角度更加准确全面地表征湍流涡结构模式。计算机仿真结果证明了该方法的有效,为基于涡结构的光学传输精确建模奠定了基础。     

雨滴前向散射对光传输影响的研究

利用Mie理论和M-P雨滴谱分布，分析了粒子尺度及不同波长对消光效率因子的影响，详细推导了光波在雨中衰减的计算公式，得到了衰减与降雨率之间的确定关系，介绍了前向散射修正系数，分析了雨滴的前向散射对532nm波长光信号传播的影响，得到了经过前向散射修正后的衰减计算公式。     

截断光束在湍流中传输的光束质量

基于广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出截断光束在湍流中的束宽解析表达式,并近似求解了湍流距离的表达式。利用光束束宽及湍流距离,研究了湍流对截断光束的光束质量的影响。研究发现截断光束在湍流中的扩展随传输距离的增大而增大。此外,湍流距离zT随截断参数啄和相干参数琢的增大而减小,即啄和琢越大,湍流对光束扩展的影响则越大,光束质量越差。本文对主要结果给出了相应的物理解释。     

高速湍流流场气动光学传输效应研究

高速飞行器在大气层中高速飞行时,其头罩表面受大气气流的影响产生严重的气动光学效应。头罩周围湍流流场的高频变化,将影响来自目标的红外辐射光线的传输,使导引头成像器中目标图像产生模糊、抖动、偏移和能量衰减,给红外成像末制导带来不利影响,降低导引头对目标的探测、跟踪与识别能力,进而影响末制导精度。以红外成像制导技术在高速拦截器上的应用需求为背景,进行了高速湍流流场光学传榆效应理论计算基本方法的分析,介绍了建立的数学模型和仿真软件,最后给出了典型状态下的计算结果。     

电磁波在非均匀磁化的等离子体鞘套中传输特性研究

由于传统散射矩阵法(scattering matrix method, SMM)在计算过程中会产生奇异矩阵,本文基于改进的SMM (improved SMM, ISMM)结合一维磁化等离子体湍流模型,计算了等离子体湍流介质对电磁波在不同入射角下的反射系数和透射系数,同时分析了电磁波在非均匀磁化等离子体中的传播特性。结果表明,湍流的出现极大地影响了等离子体鞘套中电子的运动规律,使其运动过程中能量衰减增多,因此其在0~35 GHz的透射系数增大;另一方面外部磁场的增大,对左旋圆极化波与右旋圆极化波的传播特性影响相反,这是因为在左旋情况下,左旋圆极化波的旋转方向正好与电子的旋转方向相同,右旋圆极化波相反;随着入射角度的增大,相当于电磁波在等离子体湍流中的传播距离增大,导致更多的电磁波能量被吸收;此外,考虑非均匀磁化情况后,电磁波在0~35 GHz频段内的右旋圆极化的透射系数更大。这些结果为研究电磁波在非均匀磁化等离子体湍流介质的传播特性提供了理论依据。

     

侧窗头罩高速层流流场光学传输效应数值模拟

高速流场光学传输效应是影响红外成像末制导技术在高速导弹上应用的关键。研究了气动光学传输效应中层流流场光学传输分量的计算方法。应用光线追迹法和物理光学方法研究层流流场引起的像偏移和低程度的像模糊，结合典型状态下的流场数据，进行了高速层流流场光学传输效应的数学仿真，得到了仿真计算结果。采用实际计算出的流场数据，得出的计算结果与工程计算的结果相比较，证明所建立的气动光学高速流场光学传输效应理论模型基本正确，可以用来进行仿真计算。     

湍流变化对多孔径光学系统成像特性的影响

为了研究大气湍流变化对多孔径光学系统成像质量的影响,针对Golay3结构建立了一个理论分析模型,推导了湍流影响下望远系统的点扩散函数（point spread function, PSF）的表达式。分别针对近似圆形和近似长条状分布的湍流结构对成像特性的影响进行了讨论,具体构建了两种湍流影响下的光场相位计算模型,并计算比较了两种湍流的调制传递函数（modulation transfer function, MTF）。结果表明,光路中存在湍流将导致系统成像质量下降。在近似圆形湍流中,湍流强度越小,系统MTF影响越小。不同强度湍流影响的MTF在归一化空间频率0.16、0.45和0.69处均下降0.05左右。在近似长条状湍流中,对流湍流风速越小,系统MTF影响越小。不同风速的湍流影响的MTF在空间频率0.16、0.42和0.69处分别下降0.25、0.09和0.05左右。比较两种湍流表明,近似长条状湍流对成像系统MTF影响更为明显。     

激光能量主动控制高超声速进气道研究现状

以注入激光能量的方式对高超声速进气道进行主动流动控制是提高超燃冲压发动机性能的一种重要方法。回顾了国际学者针对斜激波相互作用、Edney IV型激波相互作用和来流捕获这3项内容的控制方法和结果,为国内主动控制高超声速流场的研究提供了有益参考。     

基于几何相位超表面的Ince-Gaussian矢量涡旋光场聚焦

为了实现电介质超表面的聚焦功能和对光场相位的调控,采用几何相位调制原理设计微元结构及空间分布,以SiO₂为基底、亚波长TiO₂椭圆柱的六边形晶胞为基本结构,设计了一种相位突变呈抛物线梯度分布的聚焦超表面,适用于480nm～580nm波段。基于此结构进行了理论分析和实验验证,发现该结构对线偏振光聚焦,其归一化后的半峰全宽约为428nm,而对矢量光聚焦约为258nm,获得了更出色的聚焦效果。研究了3阶和4阶Ince-Gaussian矢量光场通过该超表面后的聚焦特性,得到了聚焦场能保持入射矢量光场的基本空间结构,但中心结构信息会有损失的结果,即Ince-Gaussian矢量涡旋光场由于涡旋相位的存在,聚焦后会呈现破缺的空间结构。结果表明,超表面结构和入射光场矢量结构之间的匹配程度是影响聚焦特性的重要因素。该研究为理解复杂矢量光场的超表面聚焦机理提供了参考。     

盲目反卷积算法在高超流场星图复原中的应用

近年来高超声速飞行器的研究受到世界各国的重视,具有重大的军事意义,其中导航、制导和控制是高超声速研究的关键技术。鉴于星光导航有着抗干扰能力强、导航精度高、自助式导航等特点,文中主要研究了高超声速飞行器使用星光导航方法的星图复原算法。考虑到高超带来的气动光学效应,在分析高速层流以及湍流流场的基础上,应用增量Wiener滤波器和有限支持域上的盲解卷积复原算法进行退化星图的复原。针对高速飞行器星光导航对复原星图的要求,仿真分析了复原星图的质心偏差及识别特征量变化。仿真结果显示,有限支持域上的盲解卷积复原算法精度较高,且经复原后的星图,能快速被高速飞行器星光导航系统正确识别。     

Block Markov superposition transmission over turbulence channels in outdoor optical wireless communication

Based on the equivalent genie-aided system,the bit-error rate of the block Markov superposition transmission system was analyzed and the union bound of the bit-error rate of the genie-aided system was derived.When the bit-error rate was extremely low at which the Monte Carlo simulation was time-consuming,the union bound could be adopted to evaluate the performance of the block Markov superposition transmission system.Simulations under turbulence conditions from weak to strong are performed which show that,in the low bit-error rate region,performance of the block Markov superposition transmission system matches well with the lower bound.It is also illustrated that the derived union bound matches well with Monte Carlo simulation result.At the BER of 10^-5,block Markov superposition transmission system with transmission memory 2 performs within 1 dB away from the Shannon limit.     

Influence of noise in optical pulse source on soliton transmission

This paper performed a 10-Gb/s optical soliton transmission experiment in a sliding frequency recirculating loop and found that the noise in the optical pulse source decreased error-free distance. This is because the mean frequency of soliton at the pulse source is modulated by the noise which results in the increase of timing jitter at the receiver even in a strong sliding frequency controlled soliton transmission line. Jitter in arrival time of transmitted solitons was theoretically analyzed to verify experimental results     

加载光学涡旋的多光束圆形Airy光束的产生与传输

通过对具有加载光学涡旋的圆形Airy光束传输性质的研究,理论分析了笛卡尔坐标系下,利用分区域法加载光学涡旋的多光束圆形Airy光束的产生,并通过傅里叶变换与角谱传输定理,理论模拟了该光束的传输特性,讨论了加载不同拓扑荷数光学涡旋对光束传输特性的影响。结果表明:拓扑荷数的大小对聚焦位置影响不大,但随着拓扑荷数的增加,焦平面上光束中心处的空心尺寸变大,并且光束的突然自聚焦强度降低。由于该研究具有同时产生并在多光束上加载不同拓扑荷数光学涡旋的优点,在光操控多微粒领域及激光治疗等领域具有潜在的应用价值。