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.     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

基于周期激励流场的气动光学效应自适应校正

通过外加周期激励对气动光学流场中相干结构的发展进行相位调制，从而获得近似周期变化的畸变波前时间序列；通过计算各相位角畸变波前的平均值，并将其共轭波前作为相应时刻的校正信号应用于畸变波前的自适应校正。对比校正前后的近场相位分布以及远场Strehl比发现：该气动光学校正方案能有效地消除相干结构产生的大尺度波前相位畸变，同时提高远场的Strehl比。     

高速目标激光探测气动光畸变传输计算

激光主动探测技术在防空反导作战中具有广阔的应用前景,然而飞机、导弹等高速目标的气动绕流场会对探测光束产生严重的畸变效应,针对探测激光在高速目标"猫眼"镜头传输和双重气动流场传输这一复杂物理过程,开展了对光束的畸变传输计算方法研究。分别采用Collins公式和角谱衍射理论对入射和反射过程进行物理光学传输计算;依据光在随机介质中的传输理论对气动流场的湍流特性进行了估计,求得了脉动光畸变光程差(OPD)均方根(RMS)值和远场Strehl比;以半球加圆柱这一典型转台模型为例对计算流体力学和探测光束的畸变传输进行了计算。     

基于本征正交分解基的实时波前重构方法

气动光学畸变波前可近似表示为低阶本征正交分解(POD)基与时间系数的相乘叠加形式。当本征正交分解基已知时,如何实时获取各阶时间系数则是能否对波前进行有效低阶近似重构的关键。从波前低阶近似表达式出发建立了时间系数、基函数的空间导数与探测光束偏折角所满足的线性方程组,通过求解该方程组得到系列低阶时间系数。对实验测量的畸变波前时间序列的分析表明,该方法求解的时间系数和直接波前本征正交分解分析得到的时间系数能够较好地吻合,并且与基函数的组合也能较好地重构出波前。由于只需测量波面上稀疏布局的探测光束的偏折角,并且求解的方程组包含方程数量少,因此该系数获取方法更具有实时性,从而实现对高频变化的气动光学畸变波前的实时重构。     

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.     

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。     

折射率结构常数廓线模式讨论

大气折射率结构常数随高度和时间变化较大,在研究光学湍流统计模式时,不同的统计方法对应统计模式的结果有一定的差别,这个差别会对模式的实际应用产生影响.从大气光学湍流的时空变化特征出发,得出大气光学湍流基本满足对数正态分布的结论,讨论了算术平均和对数平均在平均结果上的不同,研究了二者平均结果的关系,进一步研究了不同的平均方法对计算大气相干长度带来的影响.     

基于BOS技术的气动光学流场传输效应成像偏移校正方法研究

高速成像制导导弹在大气中飞行时,受到气动光学效应的影响,目标成像位置与其实际位置之间出现偏差。实现对气动光学效应成像偏移校正,对于提高制导精度意义重大。气动光学效应成像偏移具有很强的随机性和非线性,校正起来十分困难。通过利用背景纹影技术测量光线穿过变折射率场后的光线偏移量,建立畸变图像与参考图像之间的控制点对,采用局部加权平均拟合方法构建用于图像校正的映射函数,利用双三次卷积方法对图像灰度值进行重采样处理,完成对畸变图像的校正。分别对固定相位物（透镜）和喷流马赫数3.0的超声速气膜引起的成像偏移进行校正,实验结果验证了校正方法的有效性。     

红外末制导中的气动光学效应分析

首先从热光效应和弹光效应的角度,分析了飞行器在大气层内飞行时,在气动热环境中的材料折射率与温度场和应力场的关系,得出了温度和应力对材料折射率的影响关系式,并进而探索气动光学效应下一步的研究方法。对认识气动光学效应机理具有参考意义。     

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。     

合肥地区大气湍流随高度分布日变化特性分析

大气折射率结构常数C2n是表示大气光学湍流强度的重要参数.利用QHTP-2型温度脉动探空仪对C2n进行了实地探测,通过对大量探空实验数据的统计分析得出了合肥地区0～35 km高度C2n分布廓线和日变化特性,对合肥地区的大气湍流结构特性有了比较清晰的认识,研究结果为进一步进行湍流特征和大气性质的遥感探测及实际激光工程应用提供了有意义的参考.     

对流层散射传输损耗与大气折射率结构常数相关性研究

基于大气湍流非相干散射理论,采用泰勒方法对湍流谱函数进行近似,推导获得了对流层散射传输损耗与大气折射率结构常数的关系,即L-C模型;开展了对流层散射传播试验,基于WRF（Weather Research and Forecasting）数值模式对试验期间大气折射率结构常数进行预报;基于预报的大气折射率结构常数数据应用L-C模型预测对流层散射传输损耗,并与试验测试损耗值进行对比研究.结果表明,应用L-C模型预测的损耗值与实测值变化趋势吻合较好,均方根误差不超过6dB,并且传输损耗与大气折射率结构常数间的相关系数均大于0.7,表明了对流层散射传输损耗与大气折射率结构常数之间较强的相关性.这种对流层散射与大气折射率结构常数之间的相关性对于对流层散射传输的机理和建模研究都有重要意义.