基于光线轨迹跟踪,提出一类内表面保形、外表面修正,且双侧窗口对称的异形面光学窗口设计方法,设计了异形面光学窗口。搭建异形面光学窗口实验系统,研究了通过光学窗口观测到的流场图像畸变特性及其修正方法,提出了二阶多项式成像畸变的修正模型,并对畸变图像进行修正。结果表明:平行光经过异形面光学窗口后有明显的偏折,导致亮度分布不均匀,存在亮带和暗斑;同时,使棋盘格标定板的图像发生平移、缩放和旋转,不同位置处的畸变特征不同。构建畸变图像修正模型,对畸变图像进行修正,修正后的图像与原图像基本重合,各角点坐标差值小于1 pixel(7.4 μm),说明修正模型具有较高的精度。异形面光学窗口的设计及修正模型的发展有助于获得精确的内转式进气道异形曲面的流道内部流场结构和流动特性。

为了解决非完全数据条件下复杂流场的三维层析重建,结合计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)、计算流动显示技术(Computational flow imaging,CFI)和光学层析技术(Optical computerized tomography,OCT),提出了应用于非完全数据流场重建的虚拟实验和真实实验相融合(即CFD,CFI与OCT融合)的三维层析。非对称双峰温度场实验结果表明,与完全数据重建结果相比,虚拟实验与真实实验相融合的三维层析的重建双峰误差小于5％。因此能够更好地实现非完全数据条件下流场的三维重建,极大地提高非完全数据条件下流场重建的真实性,较好地与实际结果相吻合,从而为解决有限角条件下的严重非完全数据流场的重建开拓了一条新途径。

讨论了全息干涉、纹影、阴影的计算光学原理，对数值计算的结果进行图形处理以模拟光学仪器的工作过程。针对轴对称流场的特殊性，对三维的光程积分计算进行简化，采用环带法用二维的计算网格计算出三维的沿光线的积分结果，发展了一套轴对称流场的计算流动显示的快速算法。通过计算流场图像与试验流场图像的直接比较，可以验证数值计算的有效性。示例给出了弹道靶中高超声速钝锥流动的应用。