一种模拟高速流场中星光传输的气动光学效应的方法技术

本发明专利技术公开了一种模拟高速流场中星光传输的气动光学效应的方法，属于气动光学领域。设定待模拟的湍流边界层流场的区域范围和气体椭球的控制参数；在设定的区域范围内按位置控制参数定义的概率密度随机生成若干椭球体，再按照气体椭球的其余控制参数给每个椭球面所包含的空间范围赋予密度值，形成人工密度场；使用光线追迹方法计算某一角度的入射光穿过人工密度场后的光程差，得到一张畸变波前快照。重复上述操作N次，得到N张畸变波前快照，将得到的N张畸变波前快照求平均得到时均波前畸变，即得到模拟的光线穿过湍流边界层后的气动光学效应。本发明专利技术对经验依赖性较小，方法的可操作性较强，成本更低，所需时间更少。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟高速流场中星光传输的气动光学效应的方法
本专利技术属于气动光学领域，涉及光线在飞行器高速绕流场内的传输模拟方法，具体是一种模拟高速流场中星光传输的气动光学效应的方法。
技术介绍
随着高速和高超声速飞行器的快速发展，高精度的光学导航和制导技术成为关注的热点，其中天文导航和红外制导是典型的代表。但在高速流场中光学设备在接收入射的光线时会受到气动光学效应的干扰，使所成的像产生模糊效果。在地面试验中模拟这种气动光学效应并研究相应的图像补偿和复原方法是提升高速飞行器导航和制导精度的有效途径。目前气动光学效应的精确模拟需要飞行试验、风洞试验或高精度的计算流体力学(CFD)仿真，这些方法都需要高昂的试验成本。因此，开发一种简化的计算模型来模拟气动光学效应可以降低成本。湍流是引起气动光学效应的主要因素。目前的流体力学理论和实验均表明湍流是由不同尺度的涡构成的。因此，模拟湍流的涡结构是模拟气动光学效应的关键。用人工放置的气体涡结构来模拟湍流中的涡结构是一种降低气动光学效应模拟复杂度的方法。美国学者最早提出了一种用随机放置的气体球涡来模拟湍流密度脉动的方法，见文献[1]：一种气动光学效应的测试与诊断仿真技术,作者：JamesTrolinger，DavidWeber，WilliamRose,公开日期：2002年1月；国内学者随后也提出了相似的模拟方法。这些方法的流程是：首先设定气体球涡的尺寸、内外密度差和人工流场中的放置位置等参数；然后通过光线追迹方法计算光束穿过人工球涡流场后的光程差；最后通过分析光程差来评估气动光学效应的强弱。上述文献中的涡结构模拟技术均采用的是放置气体球涡的方法，球体的空间尺度是各项同性的，不能反映不同入射角度的光线在气动光学效应上的差别，而大量实验均表明气动光学效应对入射光角度具有明显的依赖性，见文献[2]：气动光学效应的物理原理与测量：回顾与展望，作者：EricJ.Jumper，StanislavGordeyev，发行日期：2017年。此外，现有的涡结构模拟技术中人工涡结构的参数设定均依赖于经验，没有规范的设计流程，可操作性不强。
技术实现思路
本专利技术针对上述两个问题，提出了一种用气体椭球涡模拟气动光学效应的方法，不仅可以模拟气动光学效应对入射光角度的依赖性，而且建立了一种依赖于理论结果的气体椭球涡参数设计方法，可操作性更强；具体是一种模拟高速流场中星光传输的气动光学效应的方法。具体步骤如下：步骤一、设定待模拟的湍流边界层流场的区域范围；定义待模拟的湍流边界层流场所在区域的光学窗坐标系OXYZ，坐标原点O位于光学窗上表面的中心，X轴正向为流向，Z轴垂直于光学窗表面指向飞行器壳体外侧，Y轴与X轴和Z轴构成右手坐标系；区域范围包括长度、宽度和边界层的厚度。步骤二、设定气体椭球的控制参数；控制参数包括椭球的数量knum、位置、尺度、倾角、扁率和内外密度。knum根据经验取值；在其他参数不变的情况下，增加knum会使畸变波面上波峰/波谷的数量增加；椭球的位置控制气体椭球在区域内的位置分布，分布规则为：涡的数量随离开壁面的距离增加；椭球的尺度用气体椭球的长轴长度来表示；用顶点在近壁面高度的二次函数表示椭球尺度Λ随高度zn的变化趋势，表达式定义如下:其中，klen是椭球尺度的控制参数，zn表示归一化后的椭球球心离开壁面的距离，即归一化高度；是最小尺度气体椭球出现的归一化高度，即二次函数的顶点，Λmin是最小的椭球尺度。气体椭球的倾角θ定义为椭球体的长轴与光学窗坐标系OXYZ的OXY平面的夹角；气体椭球的扁率α定义为α＝(a-b)/a；a为气体椭球的长轴长度，b为气体椭球的短轴长度；气体椭球内外密度是均匀的，仅在椭球面上存在密度的突变。步骤三、在设定的区域范围内按位置控制参数定义的概率密度随机生成若干椭球体，再按照气体椭球的其余控制参数给每个椭球面所包含的空间范围赋予密度值，形成人工密度场；具体步骤如下：步骤301、在气体椭球数量区间内随机选取一个整数，作为设定的区域范围内要放置总椭球体数量；步骤302、按照气体椭球位置坐标的概率分布生成的随机数，给每个椭球分配一个球心位置坐标；气体椭球位置X和Y坐标的概率分布是设定区域范围内的均匀分布，Z坐标的概率分布满足下式:P(zn)表示zn位置放置椭球体的概率；K是概率归一化系数；表示放置椭球体最多的高度；σ是分布的标准差，用于控制气体椭球在z方向分布的集中程度。步骤303、根据椭球体的球心位置坐标、长轴大小和倾角计算每个椭球面所包含的空间范围；具体为：设中心坐标为原点的正椭球面方程为则满足不等式的坐标点均包含在正椭球体内。对于中心坐标为[x0y0z0]且倾角为θ的斜椭球，采用坐标旋转的办法来选取其内部的点，设斜椭球面上的点的坐标为[x′y′z′]，根据坐标旋转原理，[x′y′z′]与正椭球面上的点[xyz]满足如下关系：将式(4)右端项带入方程式(3)中，分别替换[xyz]即可得到斜椭球面方程，同理选取斜椭球体内的所有坐标点。步骤304、根据气体椭球内的密度表达式给每个椭球面所包含的空间坐标集合赋予密度值。气体椭球内的密度ρin表示为ρin＝(-1)NkρF(M,z)Λρ∞+ρ∞(5)其中，(-1)N是取1或-1的随机数，表示气体椭球内的密度可能高于或低于来流密度。kρ是气体椭球的密度控制参数，F(M,z)是马赫数影响因子，ρ∞为气体椭球外的密度。步骤四、使用光线追迹方法计算某一角度的入射光穿过人工密度场后的光程差，得到一张畸变波前快照。光程差定义为光线的传播距离s与传播路径上的折射率n的乘积。对于整个光路，光程差用每段路径的光程累加得到，即Δsi表示第i段路径的几何长度，传播距离共有k段。ni表示第i段路径的折射率，且ni与第i段路径上的密度ρi的关系为ni＝1+KGDρi，其中KGD为光线的Gladstone-Dale系数，只与光线的波长有关。步骤五、重复步骤三和步骤四共N次，得到N张畸变波前快照，将得到的N张畸变波前快照求平均得到时均波前畸变，即得到模拟的光线穿过湍流边界层后的气动光学效应。N是快照叠加的帧数。本专利技术的优点在于：1)、一种模拟高速流场中星光传输的气动光学效应的方法，用气体椭球来模拟湍流边界层中涡结构，能够模拟气动光学效应对入射光角度的依赖性，并且相比物理实验和计算流体力学仿真实验手段，成本更低，所需时间更少。2)、一种模拟高速流场中星光传输的气动光学效应的方法，气体椭球的控制参数是基于目前的气动光学研究的理论成果，具有公式化的显示表达形式，对经验依赖性较小，方法的可操作性较强。附图说明图1为本专利技术人工流场中放置气体椭球的示意图；图2为本专利技术一种模拟高速流场中星光传输的气动光学效应的方法的流程图；图3为本专利技术气体椭球尺度klen与雷诺数Rex的幂函数关系；图4为本专利技术气体椭球的示意图图5(a)为本专利技术叠加快照的数量N与平均畸变波前均方根OPDrms间的关系。图5(b)为本专利技术每增加一张快照所造成的平均光程差的变化量总和；图6为本专利技术不同角度入射光的归一化波前畸变对比示意图；图7为本专利技术模拟得到的垂直入射平行光的畸变波前(光程差)曲面。图8为本专利技术模拟得到的垂直入射平行光成像后的像面灰度分布。具体实施方案下面将结合附图和实施例对本专利技术作本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟高速流场中星光传输的气动光学效应的方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、设定待模拟的湍流边界层流场的区域范围；定义待模拟的湍流边界层流场所在区域的光学窗坐标系OXYZ，坐标原点O位于光学窗上表面的中心，X轴正向为流向，Z轴垂直于光学窗表面指向飞行器壳体外侧，Y轴与X轴和Z轴构成右手坐标系；步骤二、设定气体椭球的控制参数；控制参数包括椭球的数量knum、位置、尺度、倾角、扁率和内外密度；步骤三、在设定的区域范围内按位置控制参数定义的概率密度随机生成若干椭球体，再按照气体椭球的其余控制参数给每个椭球面所包含的空间范围赋予密度值，形成人工密度场；具体步骤如下：步骤301、在气体椭球数量区间内随机选取一个整数，作为设定的区域范围内要放置总椭球体数量；步骤302、按照气体椭球位置坐标的概率分布生成的随机数，给每个椭球分配一个球心位置坐标；气体椭球位置X和Y坐标的概率分布是设定区域范围内的均匀分布，Z坐标的概率分布满足下式：

【技术特征摘要】
1.一种模拟高速流场中星光传输的气动光学效应的方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、设定待模拟的湍流边界层流场的区域范围；定义待模拟的湍流边界层流场所在区域的光学窗坐标系OXYZ，坐标原点O位于光学窗上表面的中心，X轴正向为流向，Z轴垂直于光学窗表面指向飞行器壳体外侧，Y轴与X轴和Z轴构成右手坐标系；步骤二、设定气体椭球的控制参数；控制参数包括椭球的数量knum、位置、尺度、倾角、扁率和内外密度；步骤三、在设定的区域范围内按位置控制参数定义的概率密度随机生成若干椭球体，再按照气体椭球的其余控制参数给每个椭球面所包含的空间范围赋予密度值，形成人工密度场；具体步骤如下：步骤301、在气体椭球数量区间内随机选取一个整数，作为设定的区域范围内要放置总椭球体数量；步骤302、按照气体椭球位置坐标的概率分布生成的随机数，给每个椭球分配一个球心位置坐标；气体椭球位置X和Y坐标的概率分布是设定区域范围内的均匀分布，Z坐标的概率分布满足下式：P(zn)表示zn位置放置椭球体的概率；K是概率归一化系数；表示放置椭球体最多的高度；σ是分布的标准差，用于控制气体椭球在z方向分布的集中程度；步骤303、根据椭球体的球心位置坐标、长轴大小和倾角计算每个椭球面所包含的空间范围；步骤304、根据气体椭球内的密度表达式给每个椭球面所包含的空间坐标集合赋予密度值；气体椭球内的密度ρin表示为ρin＝(-1)NkρF(M,z)Λρ∞+ρ∞(2)其中，(-1)N是取1或-1的随机数，表示气体椭球内的密度可能高于或低于来流密度；kρ是气体椭球的密度控制参数，F(M,z)是马赫数影响因子，ρ∞为气体椭球外的密度；步骤四、使用光线追迹方法计算某一角度的入射光穿过人工密度场后的光程差，得到一张畸变波前快照；光程差定义为光线的传播距离s与传播路径上的折射率n的乘积；对于整个光路，光程差用每段路径的光程累加得到，即Δsi表示第i段路径的几何长度，传播距离共有k段；ni表示第i段路径的折射率，且ni与第i段路径上...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨博，樊子辰，于贺，杨航，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11