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。     

一种分析气动光学传输效应的等效透镜方法

针对2.5Ma条件下气动光学传输效应对红外成像的影响进行机理分析。利用有限元仿真得到头罩外流场的温度、压力、空间分布形态的参数。在此数值仿真基础上,提出将头罩外流场等效为气体透镜的方法,计算透镜的折射率和焦距及其对原红外成像系统焦点位置的改变量约为49.66?m,此改变量小于焦深,则外流场对红外光线传输的影响基本可以忽略,成像不会产生模糊。测量风洞实验拍摄到退化图像的调制传递函数(MTF)与红外探测系统的MTF相差很小,验证了对气动光学传输效应机理分析的正确性。     

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。     

分界面厚度方法在气动光学波前失真仿真中的研究

将气动光学波前失真与流体力学特性联系起来,通过分界面厚度研究湍流流场物理结构和气动光学波前失真的关系.利用导弹绕流流场的计算流体力学数据,采用高折射率梯度分界面代替完整折射率场模拟流场的光学效应.将其结果和光直接传播通过原始流场所计算出的光程差比较,发现仅利用50%的折射率高梯度模拟的流场计算出的光程差与原始流场计算出的光程差具有很好的一致性.实验结果表明:高梯度分界面能较好模拟大尺度气动光学效应.折射率分界面方法对于气动光学失真的预测与校正具有一定的指导意义,也可用于控制高速流场,抑制气动光学失真的研究.     

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。     

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。     

气动光学图像仿真与处理关键技术研究

气动光学效应发生于导弹在大气层中高超声速飞行的过程中,导弹头部的光学头罩与大气发生剧烈的摩擦,对目标图像产生图像传输干扰和热辐射干扰,产生图像模糊、抖动和偏移,对比度降低等气动光学退化效应.对高速导弹退化图像的仿真分为两部分:第一部分是对由高速气流引起的图像的模糊和抖动的仿真.第二部分是对由高速热流产生的图像对比度降低的气动热辐射退化的仿真.对第一部分气动退化图像的仿真,采用根据实际弹道参数(飞行高度,飞行速度,头罩半锥角,攻角)和几种不同流场条件下气动光传输模型模型相结合的方法.根据流场的速度,状态,将高速流场分为湍流场和层流场.根据气动参数和湍流流场光传输模型确定点扩展函数的大小,方差等参数.根据气动参数和层流流场光传输模型确定点扩展函数中心位置的抖动和偏移.实验表明,根据这种方法仿真的气动光学退化图像符合实际情况下不同飞行弹道参数图像的气动退化变化规律和退化程度,与直接数值模拟方法(Direct Numerical Simulations),大涡模拟方法(LarRe Eddy Simulation)等方法相比,适用范围更广,计算量大大降低,并且可以实现实时仿真序列气动退化图像.对第二部分气动热辐射退化图像的仿真,采用对热效应产生的各个过程进行分别仿真建模的方法.首先,对由于高速飞行,头罩与空气摩擦产生的温度场进行建模.利用飞行参数,如飞行高度,飞行马赫数,攻角和高速可压流体模型,计算出头罩表面温度场变化.再根据头罩的材质,厚度和热传导模型计算出头罩平均温度场.根据头罩平均温度场分布,发射率,探测器系统距离,通过普朗克公式得到温度场的辐射功率.最后,根据探测器的物理参数,可以将辐射功率转化为等效信号电压值,得到数字图像的气动热辐射退化灰度值和退化图像.对气动退化图像的处理,采用退化复原算法与实际弹道参数(飞行高度,飞行速度)相结合的方法.与以往的图像复原算法不同,采用的气动退化图像的复原算法利用了先验条件参数,如导弹的飞行高度,飞行马赫数.实验表明,利用这些条件参数,可以更有效、更准确地复原退化图像.结合实际气动弹道参数,实现了最大后验概率算法(MAP算法),总变分算法(TV算法),最大似然算法(ML算法)和相邻帧算法等算法,对气动退化图像进行复原,得到了较为准确和稳定的处理结果.与传统的复原算法相比,程序运行步骤数目减少,算法的处理速度大大提高,复原的准确性也得到了增强,并且可实现序列退化图像实时复原处理.     

高速飞行器成像探测气动光学效应研究（特约）

随着各种飞行器对信息获取的精确性和实效性依赖程度的大幅度提高,采用光学成像探测技术和追求高速飞行已成为各种飞行器发展的趋势。光学成像制导飞行器在大气层内高速飞行时,光学头罩与来流之间发生剧烈的相互作用,光学头罩与来流之间形成复杂的流场,在光学窗口中产生复杂的热响应,给头罩内的光学成像探测系统带来气动热辐射噪声,带来目标图像的偏移、抖动、模糊等气动光学效应。文中针对高速飞行器成像探测面临的气动光学效应,从机理、工程和应用三个层次,提出了气动光学研究思路和后续工作展望,旨在为气动光学效应研究提供参考思路。     

航空光学成像气动光学传输效应计算研究综述（特邀）

随着更高的需求和科技发展推动航空飞行器工作速度的提高,航空光学成像的机动、灵活等特点显现更加突出,但实现高质量、高分辨率成像的技术难度也极具挑战性。飞行器与高速气流之间的复杂作用产生气动光学效应,光波或光束经过复杂流场与光学窗口时受到强干扰,为此吸引了众多科学家开展多学科交叉融合的相关研究工作,取得了大量的研究成果,为试验测试和工程实践提供了有力支撑。文中从气动光学流场与光学窗口两方面的计算研究入手,详细综述了气动光学传输效应的研究进展,归纳总结了相应的计算方法,综合当前技术发展趋势给出航空光学成像气动光学传输效应计算研究的思考和建议。     

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...     

本征正交分解在气动光学畸变仿真中的分析与应用

通过本征正交分解研究湍流流场相干结构和所造成的气动光学畸变间的关系.以高速导弹红外窗口绕流流场的计算流体力学结果为源数据,通过奇异值分解实现流场折射率场的本征正交分解.比较折射率场的低阶奇异值和源数据产生的气动光学畸变参数光程差,二者有很好的吻合性.由此提出一种采用折射率场的奇异值直接仿真光程差的简易算法.仿真表明只利用二维折射率场的第一阶奇异值即能描述畸变波前的特性,其光程差的相对误差不超过±2%,验证了湍流中的相干结构造成了大部分的气动光学畸变.     

脉动流场光学传输效应仿真

针对瞬态脉动流场光学传输效应的实时仿真问题,提出了基于数字混沌系统的脉动流场成像仿真方法。首先,依据湍流的三重分解理论,将脉动流场分解为拟序场和完全随机场;其次,通过数字混沌系统产生球涡来模拟拟序场,使用光线追迹方法得到拟序场的等效相位差;然后,使用混沌系统产生完全随机场的等效相位差;最后,利用拟序场和完全随机场的等效相位差构建脉动流场的随机相位屏,采用物理光学方法得到脉动流场的点扩展函数（快照图像）;从而获得短（长）曝光图像序列。仿真实验结果表明:该方法得到的结果与风洞实验数据相吻合。通过修改相关参数可以方便地仿真不同条件下的湍流场的光学传输效应,为气动光学效应的测试和校正提供了一种新的方法。     

气动光学传输效应对星图影响的仿真研究

以星光导航在高超飞行器中的应用研究为背景,介绍了高超飞行器周围流场数值模拟方法;将湍流流场分为平均流场和脉动流场两部分,假定星敏感器开窗位置在机身圆筒部位,将恒星视作"点目标",应用几何光学法、物理光学法和统计光学法计算星光在飞行器周围流场中的气动光学传输效应;定性地描述了像模糊、像偏移和像抖动对星图的影响,通过仿真比较了不同波长、不同入射角下湍流流场对星敏感器成像的影响。     

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。     

气动光学效应光电校正方法研究

采用红外成像寻的精确制导体制的高速飞行器在大气中以高超音速飞行时。头罩周围的高温激波流场将产生气动光学效应,这种效应严重影响了导引头对目标的探测、识别与跟踪,必须对此采取措施进行校正。文中介绍了气动光学效应的光电校正方法,包括基于波前检测与基于像清晰化校正以及高频微型光电子校正等自适应光学校正、图像帧频与帧积分时间自适应变化校正和光学与图像处理综合校正等方法,并对各种方法进行了比较分析。