基于自适应光学技术的高速流场效应模拟方法

在高分辨率天文观测和空间测绘过程中,高速流场效应会造成目标光学波前畸变,影响探测器分辨率。从高速流场造成的光学效应对空间观测的影响入手,研究分析了自适应光学技术及其关键器件-光学变形镜的技术特点,提出了一种基于光波波面调制技术和光程差（OPD）数据的高速流场光学传输效应模拟方法,并完成了初步验证实验。其中,通过光线追迹法和物理光学方法计算高速流场光学传输效应而获得的体现目标光束波面畸变程度的光程差（OPD）数据,该数据用于光学变形镜的控制驱动。这种模拟方法可用于空间对地观测过程中流场环境造成的透射光斑抖动、偏移等光学波面畸变效应仿真,实现在实验室环境下对光学传感器性能和空间光学探测系统高速流场效应半实物仿真和高速流场扰动校正能力的测试评估。     

时间平均流场对星图影响的仿真研究

针对高超飞行器在飞行过程中产生的高速流场光学传输效应对星图的影响,运用雷诺平均法对飞行器边界湍流流场参数进行了计算,采用光线追迹法计算了星光在高速流场中的传输路径,应用物理光学法计算得到时间平均流场的光学传递函数,最后对气动光学效应退化星图进行了模拟。仿真结果表明．时间平均流场使得星光传输发生偏移和模糊,导致畸变星图中...     

近空间高速流场环境小目标探测分析与试验

随着空间安全与应用探索的不断深入,近空间飞行器目标探测效能成为研究的核心问题。光学成像探测能够直观反映目标的形态、光谱与运动特性等多维度信息,因此成为空间探测感知的重要手段。在近空间大气密度、气压、对流等条件作用下,导致高速飞行器光学探测设备成像质量与探测性能衰减。采用以成像系统、大气传输系统和目标背景系统为要素的目标探测分析模型,根据气动光学效应理论,建立高速流场气动光学效应评价方程,对深空、近地等典型应用场景进行成像探测分析。设计了高速流场环境下目标探测地面验证试验,仿真测试结果表明,针对空间高速飞行目标,采用900~1 700 nm谱段短波红外探测器配合厚度10 mm以上石英窗口,对尾焰目标辐射具有良好观测效果;通过降低探测设备曝光时间、优化曝光控制策略及选用光学带通滤光片等方式,能够有效抑制背景杂光与气动光学效应影响。     

高能激光中的气动光学现象研究

气动光学(Aero-optics)是研究光与稳态或非稳态气流场相互作用及传播规律的学科,是光学、激光物理、大气光学、自适应光学、气动理论等交叉的学科.目前气动光学主要研究领域集中在强激光在可控气流中气流传播过程中,强激光对气流加热和激发、被气流散射和吸收等的相互作用规律,强激光在可控制气流中的特殊传输规律,以及光在气流作用下的成像规律.其主要研究目标是对高功率密度的激光在可控气流中传输的基本现象、基本规律进行探索研究.目前美国在气动光学研究领域研究水平最高,在我国由于强激光技术在近几年有所突破,气动光学的研究在近两年被提出.我校于1999年成立我国第一家气动光学研究中心.本文主要介绍强激光在可控气流介质及大气中传输时,与气体相互作用引起气流折射率、相位畸变、热晕等现象和规律的研究工作.(PG2)     

类THAAD导引头气动光学效应计算研究

针对类美国末段高空域防御(Terminal High Altitude Area Defense, THAAD)系统的红外导引头外形,开展了气动光学效应计算分析,并将其用于飞行器设计。利用国家数值风洞工程高速流场计算软件NNW -HyFLOW,考虑热化学非平衡效应和材料传热耦合效应,对导引头典型状态的流场进行了模拟,获得了流场的密度、温度、压力等参数和窗口的温度场参数。基于流场参数,利用HyFLOW气动光学传输效应计算功能,开展了红外光学传输成像计算;利用HyFLOW气动光学辐射效应计算模块,开展了流场和光学窗口的热辐射计算。计算结果表明,类THAAD导引头在30 km以上飞行时,流场和光学窗口基本不会影响目标信号的光学传输成像,但流场和窗口的热辐射效应会对导引头识别目标造成影响。不过随着飞行高度的升高,这种影响会减小。     

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。     

航空平台气动光学效应对激光通信光束影响

针对航空平台气动光学效应影响航空平台激光通信系统性能的问题,研究了航空器在不同飞行速度和海拔条件下,气动光学效应对激光通信系统通信光传输性能的影响。采用大涡模拟方法分别模拟了在不同飞行速度、海拔下激光通信系统周围的气动流场,计算得到流场的密度变化分布,并根据密度数据建立折射率场,采用龙格-库塔方法求解光束传播方程并进行光线追迹,计算并分析了通信光束经过气动流场后的全视场光程差分布和斯特列尔比。仿真计算结果表明：随着飞行速度的增大,流场密度的变化更为剧烈,光程差逐渐增大,斯特列尔比降低;在飞行速度相同的情况下,随着海拔的增加,流场密度波动减小,光程差减小,斯特列尔比有所提升。所研究成果对补偿机载激光通信过程中的气动光学效应产生的影响以及获得更好的通信质量具有一定指导意义。     

采用直接探测技术的相对测量法降低非均匀光束给传输信息带来的影响

激光光束质量(均匀性)直接影响着激光传输光束空间分布的特性,也严重影响激光在传输应用领域(激光通讯、激光指令式制导、激光模拟训练技术等)的使用性能。 解决此问题的方法很多,例如用激光物理和物理光学方法改善激光器输出的光束质量、用光学耦合或积分法提高传输光束空间分布的质量等。这些技术措施虽然可行,但是造成系统结构复杂化,增大了体积和重量,同时也降低了激光输出的效率和功率。 本文采用激光直接探测技术的相对测量方法,将同一接收孔径接收到的光功率分为两路信号进行光电转换,信号处理后再进行两路信号的差、和、比计算,从而大大降低了因光束质量和大气抖动、     

光学头罩绕流流场气动光学效应数值模拟

以红外成像制导技术在高速拦截器上的应用需求为背景,进行了光学头罩绕流流场气动光学效应数值模拟.应用雷诺平均NS方程并选取了适当的湍流模型,对凹窗、凸窗和球头3种光学头罩的高速飞行器绕流流场进行了数值模拟,得到了绕流流场密度分布;研究了脉动流场引起的气动光学传输效应的计算方法,应用几何光学、物理光学和统计光学方法进行了光学传输效应计算,得到了点扩散函数,即像面光强分布.通过瞄视误差、Strehl比、含能半径等气动光学效应参数描述了流场引起的成像畸变,并分析了不同外形、飞行状态和光学系统参数对光学传输效应的影响.     

腔镜热畸变对激光在大气中传输特性的影响

从虚共焦非稳定谐振腔的激光场出发,考虑谐振腔反射镜热畸变对光束的影响,利用快速傅里叶变换(FFT)研究激光光束在湍流大气中的传输特性.着重分析了反射镜热畸变对环形强化学氧碘激光在湍流大气中传输产生的影响,给出了在大气湍流影响下激光光束传输不同距离的强度分布.利用β参数和Strehl比来评价光束质量的特性,结果表明:随着...     

电寻址振幅型空间光调制器的光束整形能力

对电寻址振幅型空间光调制器(SLM)在高功率激光系统中存在的问题进行了分析.理论分析了电寻址空间光调制器的黑栅效应对光束近场光束整形效果的影响,提出了通过优化空间滤波器的小孔参数获得最佳整形效果的技术方案,并计算了小孔滤波后的能量利用率.同时,分析了液晶空间光调制器的开口率对光束整形的影响,为了提升近场整形精度,空间光调制器的开口率最好大于64研究了纯振幅型空间光调制器调制过程中引入的相位畸变,从理论分析和实验验证两方面得出了附加相位分布图,计算得出最大附加相位为0.226λ.     

三维离轴散射探测与定位方法研究

论文在分析激光传输与探测器结构特点的基础上,建立了三维离轴探测模型;计算了球形粒子对高斯光束的散射光强度分布,得到了探测器有效面积上的光通量公式;由于激光主脉冲光束与散射光都以光速传播,不同散射点的散射光到达探测器所需的时间不同,提出了利用延迟时间对三维空间激光进行测量与定位的方法.延迟时间与离轴距离和探测角有关,在远离光源、近轴探测时,延迟时间与离轴垂直距离和探测角呈简单的线性关系,因此,可以通过精确的时间测量,实现对激光的散射探测.     

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。     

用LSI法研究不同工作条件下自由旋气动窗口的光束质量

当高能激光器长时间工作或激光功率特别高时,激光器晶体输出窗口就会产生热畸变甚至炸裂,从而影响激光束质量或使激光器根本无法工作.为了解决此问题,人们利用气体对电磁辐射的选择吸收作用,提出了气体动力学激光器输出窗口(即气动窗口)的解决方案.依据不同的气动工作原理,先后提出了引射式等轴向式气动窗口,以及膨胀波式、斜激波式、膨胀波-斜激波联合式、自由旋式等横向气动窗口. 在实际工作中,由于自由旋气动窗口的工作射流的流场结构也比较复杂,也会对输出的激光的光束质量带来一定的影响.本文采用横向剪切干涉仪测量研究自由旋气动窗口在不同的工作状态下,其工作射流流场对输出激光光束质量的影响.以斯特列尔比为评价标准,给出自由旋气动窗口不同工作条件和对光束质量影响程度的关系.结果表明,在设计工作状态下,该自由旋气动窗口能较好地满足要求.(PG4)     

拉盖尔-高斯光束空间传播波前畸变的RMS评估

定量评估拉盖尔-高斯(LG,Laguerre-GAUSS)光束在大气湍流中传输的相位畸变,对 补偿和提高轨道角动量(OAM,Orbital angular momentum)自由空间光通信的质量具有重 要作用。提出将Zernike多项式导出的LG光束波前畸变的均方根(RMS) 作为光束传播的相位畸变评估指标,并在仿真实验中采用分谐波(SH)随机相位屏模拟大气湍 流。 通过Matlab仿真方法对携带不同拓扑荷值的LG光束在湍流中传输的波前畸变(WFD)的RMS进行 分析和讨论。仿真结果表明,利用SH波法产生的随机相位屏比快速傅里叶变换(FFT)法更接 近 实际的大气湍流;受大气湍流影响,LG光束的相位受到破坏,且其损伤程度与光束传输距 离﹑光束携带OAM数l有关;WFD的RMS计算结果与相位仿真结果一致,作为算例,OAM数分别为l＝1、3和5的LG光束传输500m后的WFD的RMS值 依次对应为0.004、0.004和0.005,显示波前畸变愈加严重;对l为1的LG 光束,随着传输距离从500m增大到4500m,其WFD的 RMS值由0.004增大到0.005,也表明WFD更加严重。因 此,RMS定量评估方法可以较为准确和客观地反映LG光束WFD的规 律。     

激光主动探测系统的探测能力分析

为了能够准确获取"猫眼"光学系统激光反射回波信号方向性和发散度的信息,基于光学系统"猫眼"效应和高斯光束的变换规律,依据激光大气传输的衰减和强度闪烁特性,给出了激光主动探测系统回波能量衰减和起伏的数学模型.结合野外试验分别对焦平面光学系统和离焦光学系统的关键指标进行了工程计算、分析论证和比较,结果表明:在激光主动探测系统探测识别时,可根据回波信号强度来识别不同类型的目标:同时对激光在大气传输中能量的衰减和光强的起伏进行了工程计算和分析论证,结果表明:大气湍流会大幅度降低激光主动探测系统的探测距离.     

有源激光敌我识别系统作用距离仿真

分析了有源激光敌我识别系统组成和工作原理;在建立大气衰减模型基础上,利用高斯光束理论描述激光光束的传拎,从誓光峰值功率、束散角等参数推导出激光光束传输的理论模型,在考虑安装平台尺寸以及系统瞄准性能的前提下,对有源激光敌霉识别鎏鱼的佳用雌壹进行了仿真计算,计算结果表明最小作用距离对系统的限制较大,是设计激光敌我识别系统激...     

畸变光束远场光强叠加特性研究

在远场将阵列激光的光强进行叠加是获取高功率激光输出的一种有效方法,由于激光在传输过程中会产生波前相位畸变,进而导致远场光强分布不匀滑。基于惠更斯-菲涅耳原理,建立了多束具有随机相位畸变的二维矩形阵列高斯光束非相干合成模型。模拟了光强合成过程远场焦斑的质量变化,计算了远场焦斑RMS和PSD与合成光束数量之间的关系。结果表明:光束非相干合成不仅能够有效提高激光的输出功率,还可以使畸变光束合成后的焦斑分布更加匀滑,提高光束的质量。     

激光大气传输模拟程序CLAP及其应用

基于已有的工作基础,利用高效的科学计算语言FORTRAN95,开发完善了一套实用化的激光大气传输模拟程序.该程序基于光场传播的抛物型方程和多层相位屏技术,实现了激光大气传输的湍流效应、热晕效应以及湍流和热晕相互作用等的数值模拟.通过内置的4种激光大气传输路径以及10种光学湍流廓线等,可以在多种传输模式下对圆形、环形和方形等光束的传输过程和效应参数进行仿真计算,光传播的实时过程利用OpenGL技术能够三维动态显示.模拟软件的用户界面友好,计算参数设置方便,可以有效地为自由空间光通信、激光雷达探测以及随机介质中的光传输研究等提供理论分析和性能预测.     

基于CFD的侧窗喷流热防护技术研究

在红外末制导导弹高速飞行过程中,侧窗与大气产生剧烈摩擦,引起气动加热效应。随着导弹速度的提高,气动加热对探测性能的负面影响越来越明显。针对这一问题,对超音速导弹导引头平板侧窗的喷流技术的进行了理论建模;采用计算流体动力学(CFD)仿真的方法,分析了侧窗外表面的气动热流场变化;探讨了通过对侧窗外表面进行喷流的措施改变温度场分布的技术。研究结果表明:该技术能够有效地降低侧窗气动热影响,抑制红外成像热背景干扰,提升了导引头在高速飞行过程中的探测性能。