一种变折射率光学系统光线追迹的新方法

光线方程仅在系统折射率为轴对称分布及近轴近似条件下可求得解析解,而对非近轴光线,尤其是变折射率系统,只能用计算机进行光线追迹,求数值解。常用之法是Taylor级数展开法,可达到一定精度,但计算量相当大。变形光线方程后,对定义的新变量直接应用一种标准的数学积分技术———Runge-Kutta方法,可达同样精度要求,而计算量大为减小。此法的另一好处是在于计算过程中简化了各光学平面两侧折射率的计算。在介绍Runge-Kutta方法的同时,给出算例以与Taylor级数展开法比较。     

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。     

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...     

温度和应力动态变化对球形头罩的光传输影响

高速飞行器在大气层中飞行,光学头罩与来流相互作用,其温度和应力应变在飞行过程中会动态变化,引起头罩材料折射率的改变,进而影响光线传输。文中在对飞行过程中球形头罩温度和应力应变动态模拟的基础上,计算随时间变化的折射率场,并利用光线追迹方法计算光线通过头罩出射面的光程差,通过光学评价方法以及图像退化仿真直观得出其对头罩光传输的影响。结果表明,头罩温度和应变变化对光传输的影响较大,并且飞行速度的提高变得更为严重     

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。     

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.     

不同高度对0°～15°攻角气动光学成像偏移的影响

飞行器在高速飞行过程中，头部产生湍流流场，该流场使机载光学系统接收的目标图像发生偏移、模糊和抖动，这种气体流场对光学传播和光学成像的影响或作用称为气动光学效应。文中研究了典型钝头飞行器在不同高度对0°～15°攻角气动光学成像偏移的影响。使用软件对一种典型的钝头飞行器进行了建模和网格划分，基于计算流体力学使用Fluent作了大量的模拟计算，获得了飞行器不同工况下的周围的流场密度。通过密度和折射率的对应关系，得到了飞行器周围相应的折射率分布。使用反向光线追迹和停止准则，获得了成像偏移数据。结果表明：随着高度的增加，飞行器周围的大气密度减小。尽管不同高度的光线传播路径折射率分布图有着相同的变化趋势，但却有着不一样的变化程度。高度越大，光线传播路径上的折射率分布越平坦，成像偏移越小。从成像偏移斜率来看，随着高度的增加，成像偏移斜率越接近于0；随着攻角的增加，成像偏移斜率在往0的负方向增大。从成像偏移斜率的角度分析，低高度和大攻角都会引起较大的成像偏移值的变化。     

非线性介质中的强激光系统自聚焦现象的仿真分析

以强激光系统和自聚焦理论的研究为出发点,主要采用光束传输法和光线追迹法分析了非线性介质下的强激光光束传输过程。并且,基于适合于非线性介质下光线追迹的亚当斯法和基于梯度信息的光强分布的恢复算法,仿真模拟出光强与透镜厚度、介质折射率、透镜曲率半径以及入射光束半径的关系;同时结合光学设计软件,不仅得出了折射率与光强的乘积与焦点位置的变化关系,还通过点列图中的数据直观地反映出系统结果的成像质量,最后对光线追迹法和光束传输法两种光学方法进行了对比分析。仿真分析结果可以判断出系统的哪些部分容易受到自聚焦的影响,进而可以通过改进某些参数的大小,减少并消除其不利影响,找到适合于强激光系统的最优方法。     

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.     

无规则非均匀折射率场描述

在大气或流动介质中的折射率分布是无规则非均匀的,由于流动和温度变化的影响,无法用通常的梯度折射率公式来描述。提出采用自适应网格方法来描述无规则非均匀折射率场,将数据以动态八叉树结构存放在内存中,给出了网格划分的折射率判据和折射率梯度判据,并采用插值法来计算光线传播路径上的折射率和折射率梯度。以一种可以用公式描述的梯度折射率棒为例,在折射率阈值为0.005、折射率梯度阈值为0.000 5的条件下,建立了自适应网格并求出了一些位置处的折射率及其梯度,计算结果的均方根误差小于7×10－5,可以用于光线追迹。     

基于聚类思想的弹道外推算法研究

为了提高炮位侦察校射雷达中炮位侦察定位精度同时提升外推结果一致性,本文引入聚类思想,建立了基于K-均值聚类的弹道外推模型。该模型采用七态无迹卡尔曼滤波算法对量测数据进行多次滤波,然后利用4 阶龙格-库塔积分方法对火炮位置进行外推,最后对多次外推结果进行K-均值聚类处理,采用综合多因子方法计算簇品质,选取最优簇对应的聚类中心作为最终的火炮位置进行输出。实验结果表明,该弹道外推算法显著提升了外推结果的一致性及定位精度。     

一种低仰角雷达射线的准确快速描迹方法

探讨了对流层中雷达射线的准确快速描迹技术。和国内一直沿用积分方程进行对流层射线描迹不同，该文基于射线微分方程进行射线描迹，使用了高阶Runge-Kutta数值微分解法，它可避免积分算法计算效率低、零度仰角附近难以计算等方面的局限。模拟结果和已有研究结果的比较表明，该方法可以获得较为理想的准确结果和计算速度。     

基于射线描迹法微分形式的大气折射误差修正方法研究

大气折射误差是影响各类无线电系统同步、跟踪、导航、定位精度的一个主要误差源。射线描迹法利用几何光学原理可以实现对该误差的精确修正。针对传统射线描迹法无法处理异常大气折射误差修正的问题,该文推导了射线描迹法的微分形式,并基于此提出适用于任意大气的折射误差修正方法。选取某地面测控站对目标的跟踪数据,验证了所提方法的可行性。此外,利用该方法对比分析了蒸发波导环境和标准大气环境对大气折射误差的影响。结果表明:完全陷获在蒸发波导内部的电波引入的大气折射误差是最显著的。所提方法为提高无线电系统在任意大气环境下的测量精度提供一种新的技术支持。     

“猫眼”逆反射器的偏振特性分析

根据矢量场的光线追迹方法和光路的几何关系,推导得出入射高度（归一化）、折射率和逆反发散角之间的变化关系,以逆反发散角最小为目的,得出猫眼逆反射器的最佳设计参数,并利用ZEMAX进行光学设计。基于三维琼斯矩阵法对所设计的猫眼逆反射器进行了偏振光线追迹和偏振特性研究,重点分析了猫眼逆反射器的位相延迟和二向衰减特性及其对光束偏振态的影响,理论计算表明:猫眼逆反射器在出瞳面上的位相延迟最大不超过0.3,二向衰减均低于0.027,且线偏振态入射猫眼逆反射器,出射仍为线偏振态,即偏振方向保持不变。对此,利用FRED对所设计的猫眼逆反射器进行了以水平、45、圆、椭圆偏振态入射的仿真模拟,验证其理论分析的正确性。结果表明:经猫眼逆反射器逆反后的偏振态仍与入射偏振态相同,偏振方向不发生改变,这与理论计算结果相一致,即猫眼逆反射器具有保偏振态不变的效应,这对猫眼逆反射器的推广应用具有重要意义。     

俯视电波折射修正及其在俯视雷达信号接收中的应用

针对海洋上空大气折射环境影响下岸基俯视雷达信号的舰载机动接收有效方法进行了系统研究.根据实际需求,建立俯视雷达信号在海洋上空传播的物理模型,通过射线追踪法结合Hopfield折射率剖面模型,仿真计算获得了大气折射影响下的电波实际传播路径,并与Ray-VT射线追踪软件的计算结果进行比对,四种发射参数下的水平距离相对偏差分别为-0.002%、-0.041%、-0.029%、-0.007%,初步说明了电波传播路径仿真的准确性.经过仿真,发现海洋上空大气折射环境对岸基俯视雷达信号的舰载接收有很大影响,必须对接收位置和接收仰角加以修正.     

折反式望远系统全视场全口径偏振特性研究

针对单根光线追迹方法在部分偏振光条件下无法对系统进行全面评价的问题,基于斯托克斯表示法提出了全视场、全口径光线追迹方法,通过对原有折射与反射穆勒矩阵表达式的优化,建立入射光偏振度、光线角度等参量与出射光偏振度的解析关系;理论分析结果表明,入射角与折射角的差值控制在5.7以内,可以有效减少系统对光线偏振度的影响;依据空间目标成像需求设计了集成微偏振片阵列的偏振成像系统,成像分辨率500 km处为0.5 m;采用动态数据交换机制对光学系统进行全视场、全口径光线追迹,得到系统斯托克斯矢量及偏振度的全视场分布,实现对系统任意视场偏振度的标定,提升偏振探测精度。亦可通过任意视场与中心视场偏振度匹配入射光偏振度,反演目标。     

Numerical study on aero-optical imaging deviations of vehicles at different altitudes

When the vehicle is flying in the atmosphere at high speed, the optical head and the atmosphere will have severe friction, thus forming a complex flow field, which makes the target image shift in the optical imaging system. The influence of altitude on aero-optical imaging deviation is studied in this paper. The geometric modeling and mesh generation of a typical blunt nosed high-speed vehicle were carried out, and the three-dimensional (3D) flow field density was obtained by a large amount of computational fluid dynamic calculation. In order to complete the optical calculation, the backward ray tracing method and the backward ray tracing stop criterion were used. The results show that as the height increases, the imaging deviation decreases gradually, and the imaging deviation slope increases and tends to be flat and close to zero.     

A Fourth-Order Runge–Kutta in the Interaction Picture Method for Simulating Supercontinuum Generation in Optical Fibers

An efficient algorithm, which exhibits a fourth-order global accuracy, for the numerical solution of the normal and generalized nonlinear Schrodinger equations is presented. It has applications for studies of nonlinear pulse propagation and spectral broadening in optical fibers. Simulation of supercontinuum generation processes, in particular, places high demands on numerical accuracy, which makes efficient high-order schemes attractive. The algorithm that is presented here is an adaptation for use in the nonlinear optics field of the fourth-order Runge-Kutta in the Interaction Picture (RK4IP) method, which was originally developed for studies on Bose-Einstein condensates. The performance of the RK4IP method is validated and compared to a number of conventional methods by modeling both the propagation of a second-order soliton and the generation of supercontinuum radiation. It exhibits the expected global fourth-order accuracy for both problems studied and is the most accurate and efficient of the methods tested.