[發明專利]一種氣動光傳輸效應對高速飛行器成像質量數值計算方法

在審

• 申請號: 201711123521.6
• 申請日: 2017-11-14
• 公開（公告）號: CN107832532A
• 公開（公告）日: 2018-03-23
• 發明（設計）人: 范志剛;王惠;陳守謙;張旺;黨凡陽;鞠琳;明月;張榮達
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司23206
• 代理人: 高媛

技術領域

本發明屬于氣動光傳輸效應研究技術領域，具體涉及一種氣動光傳輸效應對高速飛行器成像質量數值計算方法。

背景技術

帶有紅外探測裝置的飛行器，在大氣層中超高速飛行時，其整流罩往往位于飛行器的前端，前方高速來流氣體的速度在整流罩處受到阻滯，來流氣體的動能會轉化為內能，使得來流氣體和整流罩的溫度迅速的升高，由于來流氣體為湍流，湍流結構復雜多變，導致整流罩受熱不均勻，由晶體的熱光效應可得，整流罩溫度的不均勻分布，導致晶體的折射率分布不均勻，這樣來自目標的光束通過折射率呈非均勻分布的整流罩后，增加了附加的相位，其出射光束波前發生畸變，在探測器上接收到的目標圖像會發生抖動、偏移和模糊。這就是氣動光學傳輸效應。氣動光傳輸效應會降低導引頭對目標跟蹤、識別、探測的能力。而對氣動光傳輸效應的實物模擬實驗往往在大型的風洞中進行，一次模擬實驗將花費巨大的人力、物力。因此開展氣動光傳輸效應對目標圖像影響的仿真研究，能節約實驗成本，及時獲得氣動光傳輸效應對目標圖像的影響，并且可以多次重復計算，對提高高速飛行器紅外成像探測精度具有重要意義。

發明內容

本發明的目的是為了解決目前氣動光傳輸效應的實物模擬實驗成本高、需花費大量人力、物力的問題，提供一種氣動光傳輸效應對高速飛行器成像質量數值計算方法。

為實現上述目的，本發明采取的技術方案如下：

一種氣動光傳輸效應對高速飛行器成像質量數值計算方法，所述方法具體步驟如下：

步驟一：氣動熱環境下三維變折射率介質折射率場的構建

首先需要確定整流罩的基本外形結構，然后將整流罩離散化為有限元模型；對整流罩的有限元模型進行瞬態熱-結構耦合分析，得到整流罩有限元模型中每個網格節點的溫度以及形變分布，依據晶體的熱光效應由節點的溫度場分布數據進而得到節點的折射率場分布；

步驟二：對通過三維變折射率介質的目標光束進行光線追跡

在步驟一得到整流罩有限元模型節點的形變場分布以及折射率場分布以后，對通過三維變折射率介質的目標光束進行光線追跡；通過對追跡的目標光束進行光程累加，得到目標光束通過整流罩以后的光程分布；

步驟三：對通過三維變折射率介質后目標光束成像進行像質評價計算

根據步驟二光線追跡得到的目標光束通過整流罩以后的光程分布，鑒于參考球面與實際波面在出瞳中心相切或相交，出瞳中心處的波像差為零，因此各條光線光程與主光線光程之差即為各條光線的波像差，即出瞳處的波像差，進而通過物理光學運算以及傅里葉變換得到點擴散函數以及調制傳遞函數的像質評價指標。

本發明相對于現有技術的有益效果是：

(1)本發明公開了一種氣動光學傳輸效應仿真方法，可以對復雜熱環境下目標光束通過三維折射率介質后的像質進行仿真計算，為后續采用編程實現數值仿真氣動光傳輸效應，對目標圖像的影響提供了一種方法和模型。

(2)受氣動效應影響，整流罩介質折射率變為非均勻分布，對介質非均勻折射率場進行精確數學建模變得非常困難；本發明公開的方法有效解決了這一問題，利用本方法可以建立不同形狀的整流罩折射率場數學模型，為后續光線在變折射率介質中進行光線追跡提供了先決條件。

(3)本發明公開的方法可以仿真計算復雜熱環境下不同外形的整流罩對目標圖像的影響，包括常見的半球形、二次曲面形、側窗、組合光窗以及不規則形狀的整流罩，因而在實際仿真計算過程中，可以靈活變動。

(4)通過應用本發明公開的方法不僅可以仿真計算任意形狀的整流罩在不同飛行工況下受氣動熱效應影響時整流罩的熱響應分布特性(包括溫度分布、形變分布)而且可以仿真計算受氣動光傳輸效應影響下光束通過三維變折射率介質所成的目標圖像的像質評價指標，得到真實飛行工況下，氣動光傳輸效應對高速飛行器探測系統成像質量影響的規律。

附圖說明

圖1為氣動光傳輸效應仿真計算流程圖；

圖2為半球形整流罩X-Z結構剖面圖；

圖3為半球形整流罩有限元計算模型圖；

圖4為半球形整流罩溫度場分布示意圖；

圖5為半球形整流罩形變場分布示意圖；

圖6為整流罩各節點折射率分布示意圖；

圖7為整流罩外表面光線追跡示意圖；

圖8為整流罩內部光線追跡示意圖；

圖9為像質評價指標計算流程示意圖。

具體實施方式