气动热环境下光传输算法及实现

发布时间：2020-11-09 10:46

　　 带有红外成像探测系统的高速飞行器在大气层内高速飞行时,由于飞行速度很快高速飞行器周围的流场受到极端挤压,在这种极端环境下在高速飞行器的头部附近产生激波和其他复杂的流场变化,在光学上引起折射率的起伏。与此同时,由于头罩与空气的剧烈相互作用,在高速飞行器的头部区域温度、压强发生剧烈的改变,使得高速飞行器最外面光学头罩产生明显的折射率变化和形变。当高速飞行器对目标成像时,目标光束由于经过折射率剧烈变化的流场区域,使得目标光束发生偏折、弥散,高速飞行器头部的光学头罩由于折射率和形变的非常显著,进一步使得进入光学系统的波前产生更大的畸变,降低了成像系统对目标的成像和识别。通过研究在高超音速下的流场和高速飞行器头罩的对入射波面的相位调制规律,可以帮助设计成像探测系统的波前编码,提高成像系统的探测精度。本文研究了高超音速高速飞行器在热环境下外流场和头罩的折射率、折射率梯度的分布以及头罩的形变分布,并建立适用于大多数光学窗口的气动光传输计算模型。主要研究内容包括:(1)光传输计算模型的研究。通过分析基于重构切片型网格的光传输算法的局限性,建立了外流场和头罩的数据融合模型;基于气动热环境下外流场和头罩的折射率梯度的局域均匀性假设,提出了折射率和折射率梯度的线性插值算法,建立了适用于多种类型光学窗口的气动光传输模型。(2)气动热环境下外流场和高速飞行器光学头罩的折射率梯度、头罩形变分布的研究。根据Gladstone-Dale公式计算了环绕在光学头罩周围流场的折射率场,根据热光效应计算了头罩的折射率分布,分析了头罩和外流场的折射率、折射率梯度、折射率梯度变化率,证明了局域内折射率梯度的均匀性,并分析了头罩的形变分布。(3)光传输模型的验证以及回转对称头罩的光传输特性研究。通过均匀折射率平板和光楔验证了光传输模型的正确性,并分析了计算误差;然后根据该模型对长径比为2的五种面形头罩进行了光传输仿真,分析了对成像质量的影响。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V219;O43
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究的目的和意义
    1.2 国内外气动光传输研究现状及分析
        1.2.1 国内外流场光传输研究
        1.2.2 国内外头罩光传输研究
        1.2.3 国内外光传输仿真研究
    1.3 本文的主要研究内容
第2章 光传输模型研究
    2.1 引言
    2.2 头罩和流场网格类型对光传影响
        2.2.1 切片型重构网格对光传计算影响
        2.2.2 非重构型网格以及数据融合
    2.3 光传输模型
        2.3.1 光传输计算原理
        2.3.2 梯度折射率介质中的光程计算
        2.3.3 折射率以及折射率梯度插值
        2.3.4 外流场和头罩的光传输步骤
    2.4 气动光学效应的光学评价
        2.4.1 波像差
        2.4.2 其他评价函数
    2.5 本章小结
第3章 回转对称头罩的流场和头罩的折射率分布
    3.1 引言
    3.2 回转对称头罩的外流场密度和折射率分布
        3.2.1 外流场有限元计算模型
        3.2.2 外流场的密度和折射率分布
    3.3 回转对称头罩的头罩热响应和折射率、形变分布
        3.3.1 头罩的热响应计算模型
        3.3.2 头罩的热响应与折射率分布仿真分析
        3.3.3 头罩的形变分布
    3.4 本章小结
第4章 光传输模型验证与光传输仿真
    4.1 引言
    4.2 仿真计算实现方法及平板和光楔的光传输模型验证
        4.2.1 仿真计算实现方法
        4.2.2 光传输模型验证
    4.3 回转对称头罩的光传输仿真
        4.3.1 外流场的光传输
        4.3.2 头罩光传输
    4.4 计算量和计算精度的讨论
    4.5 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
致谢

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本文编号：2876308