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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于可分离模糊核的复合运动模糊星图建模与仿真

在采用天文光学自主导航方式进行深空探测时,导航星的视星等高,为获取清晰的星图,星敏感器焦距长、曝光时间长,同时受探测器多种运动复合的影响,星图易产生模糊拖尾现象,很难用基于硬件的常规方法有效复原。研究复合运动模糊星图的建模方法,可揭示星敏感器与导航星的真实相对运动对星图像质的影响规律,从而用软件算法复原高像质星图,提高星敏感器的动态性能。由于缺乏确定的参数模型,复合运动模糊星图建模难度较大。提出了一种基于可分离模糊核的复合运动模糊星图建模的新方法,研究星敏感器角运动和角振动对成像的影响,并与常用的分步模糊方法比较。仿真表明:基于可分离模糊核方法的仿真星图更符合星敏感器实际运动对星图退化的影响;星敏感器的复合运动特别是旋转运动对质心提取效果具有显著影响,严重时会导致星敏感器无法定姿。     

基于星图模拟的星空目标提取

提出了一种将星图模拟技术应用于星空背景空间目标提取的方法,建立了地基光测设备的星图模拟模型,推导了光轴指向计算和星体到焦平面成像的坐标转换。利用模拟星图生成掩模,对实拍星图处理去除恒星背景。实验证明利用模拟星图能够有效去除恒星背景提取空间目标。     

星敏感器地面标定设备的设计

为了实现星敏感器的地面标定试验,设计一套视场大且星间角距模拟精度高的星敏感器地面标定系统,对标定系统的组成、光学系统设计和模拟仿真精度等进行研究。根据星敏感器的地面标定要求介绍系统组成,提出实现星间角距模拟精度优于20的方法;采用新型显示器件LCOS 作为星图显示器,通过像面拼接的方法扩大视场,并据此利用Zemax 软件设计光学系统。在原有测量方法的基础上,给出地面标定设备的精度评价方法。并提出一种能够提高星间角距模拟精度的星点修正方法。实验结果表明:星敏感器地面标定设备的星间角距模拟精度小于20,满足对星敏感器进行地面标定试验的要求。     

基于数字天顶仪的星点图像坐标误差分析

星点图像坐标的准确性与数字天顶仪的定位精度紧密相关。根据数字天顶仪成像原理,严格推导出星点图像坐标表达式,在此基础上推导了星点图像坐标在4个误差因素及综合误差下的误差方程,分析结果表明各误差之间相互独立。通过仿真4个误差因素及综合误差情况下的星图数据进行分析,仿真结果表明:焦距误差与转位误差对各星点图像坐标的影响各不相同,焦距引起的坐标变化值x和y相对其平均值的最大波动值分别为2.38、3.04 pixel;转位误差引起的坐标变化值x和y相对其平均值的最大波动值为1.06、1.41 pixel;光轴倾斜误差与主点偏移引起的星点图像坐标变化是整体性偏移。另外,提出了一种误差参数求解的方法,利用解算出来的误差参数对星点图像坐标进行补差,数字天顶仪的定位经度精度提高了约1.98 m,纬度精度提高了约1.65 m。     

一种基于星点特征不变原理的快速星图识别方法

星图识别算法是星敏感器输出姿态的关键技术。根据星图从天球坐标系转换到星敏感器坐标系过程中存在特征值不变的原理,结合视场和星等需求建立了导航星表。并根据星图识别要求设计了对应的快速识别算法。针对特征表维数多的特点,采用K向量法提高搜索效率,同时采用并行计算的思想进一步提高搜索速度。采用Matlab编程实现了算法,并进行了仿真。结果表明,算法的识别效率可达97.8%,平均搜索时间可达14.4ms,能够满足准确率高、识别速度快的要求。     

弹载星敏感器像移模型及其仿真分析

星敏感器像移模型是星图运动补偿算法的关键技术,也是动态星模拟算法中的重要组成,它为高分辨率星敏感器的全链路运动模糊的建模仿真提供支撑。首先,借助正态分布的静态星像能量模型,引入星像移速度,得到匀速运动星像的能量分布函数。其次,为了获取星像移速度,研究了两种解算方法:（1） 基于坐标系转换的星像移模型;（2） 基于星光矢量旋转的像移几何模型。最后,建立仿真环境,通过调整积分时间、三个姿态角变化率、发射时间、地点、观星时弹体姿态角等输入参数,可以获取弹载星敏感器在轨运动时观测星像的重要仿真数据:如导航星信息,像移大小、方向,灰度分布,信噪比等。这对星图运动补偿算法的研究和评价都显得十分必要。     

基于能量分布的星点提取方法

为提高星图预处理中质心提取的精度和实时性,提出了一种基于星点能量分布的星点提取方法.该方法将星点的能量分布概括为如下三个特点：一是当σ＜0.671时,星点的能量主要集中在其中心3×3像元的区域内;二是星点中心灰度最大;三是星点中心周围8个像元的灰度值大于平均灰度值.依据后两个特点可以确定星点中心像元,然后根据第一个特点就可以用传统的质心算法对星点中心3×3区域进行质心提取.仿真结果表明,该方法能够实时有效地进行星点提取,且实时性优于连通域法,在星等小于5时质心提取精度也要优于连通域法.     

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。