许晓军[1]2000年在《气动光学的工程研究》文中进行了进一步梳理高能激光的产生、输出和传输等过程中，气流均会不同程度地影响光束质量。气动光学正是研究气流运动与电磁波传播之间相互作用的一门新兴学科。本文从理论和实验两个方面对气动光学在激光腔、气动窗口、激光传输管和大气中的应用进行了研究和探讨。 根据介质的特征，将气动非均匀介质分为有序、随机和大气湍流三种类型。在此基础上，分析讨论了一套激光在三种介质中的传输模型及光束质量评价方法。建立了HF／DF化学激光器腔内和激光传输管及室内静止大气中的气动光学数值模型。 推导了强激光技术中常用的光束质量定义在小扰动条件下的相互关系，对常用的光束质量β因子在多随机扰动条件下的公式进行了修正。进一步分析了随机扰动和有序扰动的测量方法，指出在两种扰动同时存在的条件下，横向剪切干涉仪(LSI)可以同时对两种扰动进行测量，因而是近场测量气动非均匀介质对光束质量影响的较好的研究方法。在有序扰动的测量中，从波前信息采样的角度比较了LSI和Hartmann波前传感器差别。在LSI的基础上，提出了波前延拓剪切干涉(WPSI)的波前重构及实现方法。考虑到WPSI的装置的复杂，在LSI的测量基础上，利用波前延拓的假设，通过小波变换实现了基于小波变换的LSI的波前重构新算法。 对3-Slot喷管结构的HF／DF化学激光器腔内的运行情况进行了全面的数值模拟，计算了腔内介质在流场方向和腔轴方向上的二维有序不均匀分布，分析了腔内流场对不均匀性的影响，并与传统的2-Slot喷管和单氧化剂喷管结构的激光器腔内的介质不均匀性进行了比较。分析三种喷管结构的气流对介质不均匀性的影响。对非稳腔激光输出，介质不均匀性对输出波前扰动进行了分析。计算了在望远式非稳腔条件下，有序不均匀介质扰动对光束质量的影响。 讨论了气动窗口的一般原理及其对光束波前的影响，着重分析了自由旋气动窗口的工作原理及气动光学特征。对一套30mm×30mm口径的自由旋气动窗口的气动光学量进行了LSI测量，重构了有序扰动在流场方向上的一维波前分布，给出了光束质量因子，与斜激波、膨胀波或联合机制的气动窗口进行了比较。测量分析了气动窗口的随机不均匀扰动的分布。用同样的装置，对万瓦级CO_2激光器的腔内介质不均匀性进行了测量诊断，通过测量给出了介质对波前扰动的最大倾斜量和随机扰动的尺度分布。诊断表明，激光器的喷管已有烧蚀，喉道宽度不均匀，造成了腔内随机不均匀起伏较大。 利用强激光传输的大气流体动力学模型，对强激光传输过程中的大气温升进行了解析和数值估算。进一步，利用该模型对室内低风速，静止大气和光束传输管道大气中的热晕现象进行了数值模拟。对强激光(100kW级)细光束(Φ100mm)近距离(10m级)室内传输，热晕对光束质量影响的严重性进行了估算，并进行了实验验证。提出了消除热晕的一些手段。另外对激光主动照明中存在的后向散射问题建立了窄光束激光照明的后向散射物理模型，并进行了试验研究。
殷兴良[2]2005年在《现代光学新分支学科——气动光学》文中进行了进一步梳理从气动光学学科发展历程出发,介绍了气动光学提出的背景,提出了气动光学的定义及内涵、研究对象和研究方法,描述了气动光学研究的主要内容:气动光学效应机理研究、气动光学效应校正方法研究、气动光学效应校正验证试验研究和高速飞行器光学窗口技术研究;详细阐述了国内开展气动光学学科理论基础、工程建模、试验原理及试验方法等研究途径,给出了一些典型的研究结果,指出了学科的应用前景和发展趋势。
孙宁[3]2008年在《机载激光通信气动光学影响的仿真分析》文中进行了进一步梳理机载激光通信是空间通信发展的重要方向,亦是实现未来超大容量通信的主要途径。飞机的运动使空气在飞机及通信端机窗口表面出形成一比较薄的湍流附面层,这将导致传输光束的位相畸变,影响光束质量,从而影响捕获、跟踪系统及通信系统的性能。气动光学对激光光束质量的影响与机载窗口形状,飞机的飞行速度、飞行高度、光端机的窗口尺寸等参数有关。而在航空激光通信中,气动光学效应对提高速率、提高跟踪转度、降低误码率都存在一定影响。本文回顾了气动光学效应的发展现状,理论分析了大气环境对机载激光通信的影响,继而阐述了气动光学效应的产生、原理、分类和工程计算方法。首先根据空气动力学原理和经验公式完成了数学模型,进而根据机载激光通信实际情况利用MATLAB软件进行计算机仿真,最后本文还进行了气动光学效应风洞校正实验方案的设计。
郭隆德[4]2003年在《高速拦截弹气动光学效应地面模拟测试研究》文中指出为了在现代高技术局部战争取得优势，“远程打击与保护”已被提到一个相当重要的地位，新一代导弹和拦截武器进入了日新月异的发展时期，制导技术是这类武器的关键技术之一。而高速飞行的导弹周围会产生很复杂的气流扰动，这种扰动对导引头上的跟瞄系统将产生很大的影响，严重时可造成导弹制导系统完全失效。这类气动光学效应不仅成为高速拦截武器研制的瓶颈，而且困扰着我国导弹技术的发展和装备研制，这也是世界性的难题。气动光学效应包括：气动热效应、气动热辐射效应和流场介质光学传输效应。前两种效应使头罩和窗口温度升高，降低了导引头对目标的探测的信噪比；后一种效应降低了导引头对目标的探测、跟踪和识别的能力。为了提高拦截弹的跟踪瞄准精度，必须对拦截弹导引头在高速真实气体环境下的气动光学效应进行定性分析和定量测量，并建立能满足气动光学效应与校正机理研究的地面模拟测试方法。本项目就是针对这一瓶颈技术存在的基础性问题：流场介质折射率变化是影响光学传输最直接的因素，即针对光线穿过高温和湍流、激波等复杂流场作定性显示和定量测量问题而开展的气动光学效应地面模拟测试研究工作，为高速拦截弹的发展提供技术基础。 本论文共七章，第一章分析介绍了气动光学研究的主要内容和国内外研究进展；第二章探讨了气动光学的理论基础和四种物理工程算法；第三章推导了折射率随温度变化的计算公式，提出了气动光学效应波长相关性原则。并进行了实验验证；第四章主要探讨二维流场折射率的全息测量技术；第五章介绍了导引头三维流场干涉测量的试验方法和数据重构；第六章利用哈特曼传感器技术对气动光学效应各种参数进行了半模试验测试研究；第七章是气动光学的仿真技术，主要研究二维流场数值仿真技术。 本论文的研究范围，从气动光学理论基础到工程物理方法，涉及到折射率从低温到高温；密度场从二维到三维；拦截弹飞行速度从高速到超高速；光学四川大学博士学位论文相位测试从模型试验到数值仿真。初步建立起了一套气动光学风洞测试试验的理论和技术，完成的主要研究工作有: (1)从理论上进行了气动光学主要参数的分析，从麦克斯韦方程出发，推导了有序扰动的聚焦强度的计算公式及脉冲峰值强度计算公式。同时推导了气动光学效应数值模拟的工程算法(物理光学法)，得出的点扩散函数便可得到气动光学效应的视轴偏差、模糊、抖动、Strehi比等，从而使气动光学的地面模拟测试研究在理论上可行。在测试手段方面介绍了四大类地面模拟测试方法:光强度分布测量，波前相位测量、流场诊断和辐射及光谱测量，这也是本论文的研究重点。 (2)高温条件下气体折射率的理论模型及实验研究，主要内容包括:从洛伦兹理论出发，推导了一套红外谱折射率计算公式，首次在国内提出了气动光学效应研究测试中心须考虑波长相关性原则，从理论上给出了高温条件下红外光谱范围折射率的变化规律。计算了一氧化氮、一氧化碳、二氧化碳及水蒸气四种组分的红外波段的折射率及其偏折角变化。计算条件为:压力为latm，温度为300K和I000K。计算结果表明:在上述条件下，由温度为300K气体入射到1 ooOK气体中引起的折射率变化，主要发生在中红外波段，在4.5微米左右，偏折角为1微弧度;在6.5微米，引起了最大偏折角变化为3.5毫弧度。其原因是由于中、远红外波段内存在大量共振吸收，在气动光学修正技术中必须加以考虑。 同时进行了高温气体折射率的黑体试验研究，研制了一套均匀温度场变化的黑体实验装置;设计了一套实时全息测试装置和CCD图像采集系统。对空气、NZ、c口2等气体在不同温度下的折射率变化进行了研究。验证了可见光在sooK以下的计算数据。试验与计算结果相符，达到了预期的目的。 (3)高速拦截弹在自由飞状态下轴对称密度场的测试研究，主要内容包括:采用双曝光全息干涉技术研究了高速拦截弹在N卜9状态下的密度场定量测试问题，这也是高速拦截弹的高端飞行条件下的真实飞行状况的模拟，利用风洞设备上原有的阴影设备为主要部件，用少量的小口径光学元件作为附加元件，构成了全息干涉仪。采用20ns脉冲红宝石激光器为光源，以精确的同步装置捕捉到高速飞行的模型，得到模型周围空间的瞬态双脉冲全息干涉图。试验中使用轴对称模型，无攻角，因而可以用一个投影方向的全息干涉图计算出模型周围 四川大学博士学位论文的空气密度分布。获得了步枪子弹和球模型以及高速弹头的空间密度分布，并用数值计算加以验证。 (4)高速拦截弹的三维密度场的测试研究。主要内容是:采用旋转流场的方式，用光栅干涉技术研究了拦截弹在飞行速度低端(M二2)情况下的三维密度场的测试方法，之所以采用低端状况和旋转流场来进行气动光学的三维密度场的测试研究，就在于改造风洞和多方向干涉技术布置是一种十分复杂和耗资昂贵的方案。该研究首次测量了高速拦截弹光学头罩的三维密度场，主要工作包括:在直流下吹式风洞中进行试验，M数
韩莹[5]2016年在《超音速光学头罩气动光学效应仿真分析》文中研究指明飞行器在高速飞行过程中,由于飞行速度达到5马赫,周围空气会与光学头罩发生严重摩擦,引起光学窗口外表面温度升高,产生激波层和边界层等,在目标与光学成像设备之间产生不规则的梯度折射率场,即产生了气动光学效应。气动光学效应会导致系统成像存在光程差,进而造成波像差,产生偏移、抖动、模糊,导引头内的光学成像系统将接收到受影响的目标图像,降低对目标识别、追踪能力。因此对超高音速飞行器气动光学效应的研究在制导方面具有重大意义。本文首先分析了大气气动光学效应的研究历史,尤其是对近些年来气动光学效应研究取得的成就和发展趋势进行了详尽分析。阐述了本文研究主要内容为对飞行速度为5马赫的超高音速飞行器在不同飞行条件平稳飞行时,周围流体分布情况及对成像影响。其次,通过对流体力学进行研究,利用网格建模软件建立了飞行器二维网格模型,本文采用了一种非均匀分布的模型网格对飞行器周围的网格流场进行采样划分。利用动态流体力学有限元分析软件,设定飞行器飞行参数,如飞行攻角和不同环境参数变量,确定边界条件,求解器,求解方法和求解方程,研究了边界层和激波的气动光学效应;调整飞行器飞行攻角与飞行环境参数变量,对结果进行比较分析得出不同参数对飞行器周围流场的影响。再次,本文对光线在流场中传播方式进行了研究分析,结合光线追迹法和物理光学法,通过研究传统的光线追迹法使用了一种固定步长光线追迹法,能够在不影响计算精确度的情况下简化建模难度。最后,本文对所得数据进行了分析得出结果,将仿真结果与理论进行比较,并对结果进行了理论上的解释。综上,本文所研究的主要内容为通过Fluent生成光学窗口周围区域的空气密度离散分布,使用MATLAB读取得到的数据建立折射率的离散分布,并模拟无限远处点源的入射光线,通过固定步长的光线追迹法得到在光学窗口面上波像差分布,并做傅立叶变换得到相面的复振幅分布,进而分析像质评价函数并获得结论。
谢文科[6]2007年在《气动光学畸变波前测量及控制方法》文中进行了进一步梳理气动光学研究的目的是避免或改善由于气动介质引起的光束质量下降。由于气动光学畸变的高频特征,目前的反馈控制自适应系统无法满足气动光学畸变实时校正对系统控制带宽的要求。因此,从自适应校正的角度出发,研究高速气动光学畸变波前的测量方法、寻求减小自适应光学系统波前处理机的计算延迟时间的新方法;另外,从系统优化设计的角度来考虑,对流场进行主动控制从而减少气动光学效应的发生是本文研究的主要内容。根据气动光学实验研究的比例定律,本文设计并加工了一套风速、温度可调,流场品质较好的低速热射流作为实验室气动光学研究的流场发生器,提供气动光学实验所需的流场环境。通过求解瞬态N-S模拟了低速热射流剪切层中相干结构的演化过程,运用几何光学方法分析了激光与剪切层的相互作用过程,建立了相干结构与光束的相互作用模型;基于该模型,将周期性的声波能量耦合到流场从而改变流场中相干结构的形成、发展的过程,以此达到减小流场气动光学效应的目的,即所谓的流场光学性质主动控制。小孔径光束技术(Small Aperture Beam Technique:SABT)是一种基于冻结湍流模型的动态、高速气动光学畸变波前测量方法,但该波前重构理论中忽略了与流场尺度相关的对流速度(Convection Velocity)的差异,因而势必给波前重构带来误差。本文运用小波分析的方法,计算了尺度相关的对流速度,并进行尺度相关的波前重构,从而获得相对更高精度的重构波前;分析了该波前重构方法的适用范围,并且指出了其稀疏测量的思想对于提高现有哈特曼波前传感器的响应频率也一定的借鉴意义。应用哈特曼波前传感器测量了波长为0.65 um的准直平面波通过热射流剪切层后的畸变波前时间序列,并对该畸变波前进行了本征正交分解(ProperOrthogonal Decomposition:POD)和低阶近似分析。结果表明,畸变波前可以用POD基来进行级数展开,并且少量POD基函数的组合对畸变波前的近似重构也非常有效,特别是当流场被周期声波激励所“调制”后,仅2个POD基函数就能对实际波前进行有效的近似重构,这一点对于减少模式法波前复原所需的模式数,从而减小波前处理机的运算延迟时间都有着重要的意义。波动光学研究结果表明:基于这种低阶近似波前的自适应校正亦能显著的提高远场的斯特列尔比,从而改善系统的性能,提高激光的远距传输能力。在对高频畸变波前的测量中,通过减少波前传感器的单元数来提高时间响应频率是常见的方法,但不可避免地会降低测量的空间分辨率。本文介绍了POD方法在如何基于有限、稀疏点的波前测量结果来提高测量的空间分辨率,从而得到高时间、空间分辨率的波前测量结果这一问题中的应用,由于只需对少量低阶POD基进行插值,因此相对于直接稀疏波前插值,该方法具有计算量少,插值精度高的优点,从而提供了一种新的高时间、空间分辨率波前测量方法。
朱瑞飞[7]2014年在《超声速前视共形光学系统图像复原方法研究》文中研究表明导弹作为目前高科技战争的主要武器，正不断地向着高速和精确的方向发展。超声速前视共形光学系统能够有效地改善导弹的空气动力学性能，提高导弹的飞行速度，因而受到国内外研究机构的广泛关注。然而，一方面，由于共形整流罩采用非球面，表面不具备点对称性，使得系统随观察视场的变化产生动态像差；另一方面，超声速飞行器在大气层内高速飞行时，整流罩与来流之间形成复杂的流场，使目标图像产生偏移、模糊、抖动等现象。这两方面都严重影响着系统的探测、识别和跟踪能力，成为制约超声速前视共形光学系统应用的关键问题。针对上述问题，论文从以下四个方面逐层开展研究工作：论文首先分析了超声速前视共形光学系统的图像退化特性，说明了系统退化图像产生的根本原因，建立了共形光学系统以及超声速流场光学传输效应的图像退化模型，利用类高斯函数模型模拟了不同程度湍流流场的点扩散函数，为超声速前视共形光学系统退化图像的复原与校正提供了理论基础。然后，提出了基于邻近算子分裂的自适应正则化图像复原算法。利用邻近算子分裂法将全变分正则化模型分解成两个简单的问题求解，降低了模型求解难度。为了进一步提高算法的运算效率，重点研究了正则化参数的选取方法，提出的方法不仅可以自适应地选择合适的正则化参数，而且当正则化参数收敛时，峰值信噪比达到最大值，图像获得最佳复原效果。在以上研究的基础上，对超声速前视共形光学系统的退化图像进行了复原与校正。首先利用光线追迹法得到了0-20°目标视场中瞄视误差的仿真结果，通过二次拟合建立了瞄视误差与目标视场的对应关系，在图像跟踪器中对系统瞄视误差进行了校正，设计了瞄视误差测量实验，实验表明校正后系统瞄视误差小于30μm，可以满足导引头伺服控制系统的精度要求。然后针对湍流随机性的特点，建立了随机点扩散函数的图像退化模型，提出了利用连续多帧湍流退化图像复原图像的方法，实验表明所提出的算法对噪声有明显的抑制作用，复原效果优于单帧图像的全变分算法，综合考虑复原效果和运算效率，确定了退化图像帧数应不大于10帧。最后对由像散和彗差引起的图像模糊进行了复原，为共形光学系统动态像差的校正提供了一种新的思路。为了使复原后的图像对比度更加明显，提高系统对红外目标识别的能力，提出了基于参数化对数图像处理模型的平台直方图均衡增强算法，利用图像评价函数EMEE（Measurement of Enhancement by Entropy）分析了模型参数的选取方法，设计了硬件实验平台，对复原后的红外图像进行了增强实验。实验结果表明：算法能够在基本不丢失图像细节的情况下增强图像对比度。
战俊彤[8]2013年在《光学系统在气动光学条件下波长的优化选择研究》文中研究表明在大气层中,当飞行器的飞行速度特别高的时候,由于飞行器的光学头罩处于湍流流场或层流流场之中,会造成系统辨识目标或探测目标的精度下降,具体表现为输出的目标成像结果发生模糊、跳动、移动。降低高速飞行器光学系统的气动光学效应就显得尤为重要。这种不良效应的影响因素有很多,例如飞行器的飞行速度、高度、光学头罩的外形、光学窗口的大小等,但是针对光学系统工作波长的优化选择可以从一定程度上消除这种干扰。本文首先分析了气动光学效应对高速飞行器光学系统造成的影响,然后通过气动光学理论,对飞行马赫数、光学传递函数、斯托列尔比、波长之间的关系进行研究,从中解算出最优的波长或者波段,指导光学设计人员根据该数学模型优化选择高速飞行器的光学系统的工作波长,从而提高光学系统成像质量。
吴凡[9]2014年在《气动光学效应对激光雷达测距精度的影响及修正》文中进行了进一步梳理高速飞行器周围会产生复杂的气流场，导致气体密度变化，形成不均匀的光学折射率分布，进而影响光传输。激光雷达可以探测目标的多种信息，并且具有极高的测距精度以及分辨率，但气动光学效应会严重破坏激光雷达系统的性能。因而研究这种气流场对激光雷达系统参数的影响，进而找到修正方法具有重要的研究意义。本文研究了气动光学领域以及激光雷达测距精度的发展现状。目前对于气动光学的研究主要集中在提高数值模拟精确度，建立飞行参数与光学畸变的联系方程以及自适应光学修正，关于气动光学效应对激光雷达系统测距精度的研究却鲜有发表。另外，一直以来关于气动光学的研究一直集中在光学窗口附近的气动光学效应，以带有气动光学效应的飞行器为目标的激光雷达系统研究却很少被提到。本文旨在从该改角度出发对激光雷达测距精度进行研究。首先，将气动光学的统计理论与大气光学进行了对比，根据气体物态参数与飞行状态的联系方程以及飞行状态与光学性质的对应关系，将流场研究引入到了气动光学效应研究中，并推导了斯特尔比与光程差均方根的联系方程，为计算激光雷达回波能量衰减提供了理论基础。其次，从光学折射率随飞行参数变化的关系式出发，研究分析了激波层所导致的光束偏折大小，给出了偏折角随飞行参数以及飞行器外形的变化曲线，最大偏折角可以达到1.5mr ad。研究分析了曲面激波层所导致的额外焦距，给出了额外焦距与飞行参数以及飞行器外形的变化关系。综合考虑激波的光束偏折效应以及额外焦距效应，对激光雷达系统的回波能量进行了计算，结果表明激波的存在可以使得回波能量衰减70%，极大的影响激光雷达系统。最后，推导了一定条件下的激光雷达回波脉冲响应函数以及其与目标外形的关系式，利用光程差的实验结果，分析了目标表面湍流层对脉冲测距激光雷达回波波形的影响。采用光线追迹方法，计算了气动流场引起的波面畸变及斯特尔比，进而分析了激光雷达回波受到湍流流场散射所导致的能量衰减。综合波形畸变与能量衰减，对气动流场对激光雷达测距精度的影响进行了分析。结果表明，在湍流层的影响下，长度为12cm的目标最大可以产生约为36mm的测距误差，达到了目标尺度的30%，说明湍流层的散射效应对激光雷达测距精度具有不容忽略的作用。并且，峰值探测回波时间判定法会带来最小的测距误差。
薛德婷[10]2018年在《基于反向光线追迹的气动光学成像偏移工程估算》文中研究指明飞行器高速飞行时,头部产生压缩气体流场,使得机载光学系统接收到的目标图像产生气动光学成像偏移。气动光学成像偏移是影响精确制导武器装备发展的重要因素之一,与之相关的研究具有重要的军工应用价值。在气动光学研究中,都离不开对成像偏移的计算和分析,本文以典型飞行器为例,开展基于反向光线追迹的气动光学成像偏移工程估算研究。首先,本文提出了一种气动光学流场反向光线追迹方法,用于气动光学成像偏移的计算。与正向追迹不同,反向追迹的方向是从内部传感器到远方目标。沿着这个方向,追迹从内部传感器开始,依次经过机体内部气体区域和气动光学流场,最后到达自由流。追迹过程中计算了每一步追迹坐标值,以及对应点的密度和折射率值。为了使追迹自适应地停止在气动光学流场外缘,文中还提出了一种反向光线追迹停止准则,避免了自由流中的冗余计算。其次,在光线追迹计算像偏差和角偏差时,分析了追迹步长对成像偏移的影响。追迹主要采用Runge-Kutta法,在追迹过程中,使用了四边形网格插值。基于典型飞行条件马赫数3和攻角0度,给出了不同高度、不同视线角的一系列成像偏移工程估算结果。最后,为了实现实际工程中气动光学成像偏移的快速估算,引入具有全局搜索能力的CPSO优化LSSVM预测模型中的参数,构建了气动光学成像偏移预测模型。首先在模型中利用混沌序列对粒子位置初始化。然后利用混沌算法进行早熟收敛的判断和处理。当算法陷入局部极值时,调整群体极值位置,扰乱粒子当前搜索轨迹,使粒子搜索新的邻域和路径,增加了跳出局部最优的概率。
参考文献：
[1]. 气动光学的工程研究[D]. 许晓军. 中国人民解放军国防科学技术大学. 2000
[2]. 现代光学新分支学科——气动光学[J]. 殷兴良. 中国工程科学. 2005
[3]. 机载激光通信气动光学影响的仿真分析[D]. 孙宁. 长春理工大学. 2008
[4]. 高速拦截弹气动光学效应地面模拟测试研究[D]. 郭隆德. 四川大学. 2003
[5]. 超音速光学头罩气动光学效应仿真分析[D]. 韩莹. 北京理工大学. 2016
[6]. 气动光学畸变波前测量及控制方法[D]. 谢文科. 国防科学技术大学. 2007
[7]. 超声速前视共形光学系统图像复原方法研究[D]. 朱瑞飞. 中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所). 2014
[8]. 光学系统在气动光学条件下波长的优化选择研究[D]. 战俊彤. 长春理工大学. 2013
[9]. 气动光学效应对激光雷达测距精度的影响及修正[D]. 吴凡. 哈尔滨工业大学. 2014
[10]. 基于反向光线追迹的气动光学成像偏移工程估算[D]. 薛德婷. 天津理工大学. 2018