Author Affiliations
Abstract
1 College of Aerospace Science and Technology, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
2 College of Advanced Interdisciplinary Studies, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
The infrared imaging windows of the hyper/supersonic optical dome are encountering severe aero-optical effects (AOEs), so a flow control device, the ramp vortex generator array (RVGA) is proposed based on the ramp vortex generator to inhibit the supersonic mixing layers’ AOE, which is done by the nanotracer-based planar laser scattering technique and ray-tracing method. The experiments prove that under different pressure conditions, RVGA can reduce the mean and standard deviation of the root mean square of the optical path difference () and reduce the supersonic mixing layers’ thickness and mixture a great deal. The AOE of the pressure-matched mixing layer is the weakest. Higher RVGA results in better optical performance. RVGA has the potential to be applied to supersonic film cooling to reduce aero-optical aberrations.
aero-optical effects supersonic mixing layer RVGA OPDrms flow control Chinese Optics Letters
2023, 21(3): 030102
国防科技大学空天科学学院, 湖南 长沙 410073
针对射流折射率场的非均匀分布会导致成像质量降低的问题,在真空实验舱内研究了不同总压条件下超声速半自由射流的光程差(OPD)分布。实验中三种光路的主光轴与流动方向夹角分别为81°、90°及99°。实验结果表明:总压越大,射流的OPD越大;相同总压条件下,81°光路的光程差大于99°光路和90°光路。推导了OPD沿流向分布的经验公式,并在此基础上分析了两种理论模型在该射流流场下的适用性。
大气光学 超声速 半自由射流 光程差 观测角
设计搭建了基于高超声速(Ma= 6.0)炮风洞的气动光学地面试验平台,试验对象为带冷却喷流装置的光学头罩模型.利用高速摄像机并结合背景纹影技术获取了喷流压比为0、04、1.0、1.16和1.8五种状态下的光线偏折信息,结合几何光学传递函数理论获取了对应状态下流场的调制传递函数.试验结果表明,喷流压比增大使得流向和展向的调制传递函数包络面积减小,较大喷流压比下流向调制传递函数在2~ 4 lp/mm 区间出现波动现象.
高超声速 流场 调制传递函数 测量 背景纹影 Hypersonic Flow field Modulation transfer function Measurement Background oriented schlieren 光子学报
2019, 48(10): 1001003
1 国防科技大学 空天科学学院, 湖南 长沙 410073
2 中国人民解放军63926部队, 北京 100192
3 中国人民解放军陆军工程大学 爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室, 江苏 南京 210007
4 中国洛阳电子装备试验中心 光电对抗测试与评估技术重点实验室, 河南 洛阳 471003
当高速成像制导导弹在大气中飞行时, 其光学窗口承受着严重的气动加热。超声速气膜冷却方法可以有效地隔离外部加热, 但是超声速气膜流动会引起光束退化, 降低图像质量。为了研究超声速气膜气动光学效应, 本文构建了主流马赫数为3.4, 设计喷流马赫数为2.5, 实际测得喷流马赫数为2.45 的超声速气膜实验装置。利用基于纳米粒子的平面激光散射技术获得了高时空分辨率流场图像, 并对气膜冷却流动的密度场进行重构, 利用光线追迹法获取了对应密度场的光程差。通过将光程差分布和K-H涡对比后发现, 光程差的波谷位置对应于涡卷的中心, 而光程差的波峰对应于涡卷中心之间的连接部分。但是, 随着涡结构的发展破碎, 对应关系不再成立。根据超声速气膜NPLS流场图像结果, 利用分形原理获取的分形维数结果, 将其沿流向划分为三个区域, 其对应平坦度分别为3.4,2.9,3.6,验证了区域2更适合进行相干结构提取。
气动光学 超声速气膜 相干结构 小波包 aero-optics supersonic film coherent structure wavelet packet
国防科学技术大学 航天科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
高速成像制导导弹在大气中飞行时, 受到气动光学效应的影响, 目标成像位置与其实际位置之间出现偏差。实现对气动光学效应成像偏移校正, 对于提高制导精度意义重大。气动光学效应成像偏移具有很强的随机性和非线性, 校正起来十分困难。通过利用背景纹影技术测量光线穿过变折射率场后的光线偏移量, 建立畸变图像与参考图像之间的控制点对, 采用局部加权平均拟合方法构建用于图像校正的映射函数, 利用双三次卷积方法对图像灰度值进行重采样处理, 完成对畸变图像的校正。分别对固定相位物(透镜)和喷流马赫数3.0的超声速气膜引起的成像偏移进行校正, 实验结果验证了校正方法的有效性。
成像偏移校正 气动光学 背景纹影 本征正交分解 互相关 imaging deviation correction aero-optic proper orthogonal decomposition(BOS) POD cross-correlation 红外与激光工程
2018, 47(4): 0418003
国防科学技术大学 航天科学与工程学院, 长沙 410073
光学传递函数是评价像质的重要指标, 是光学系统设计的重要辅助参数.基于背景纹影技术获取光线通过折射率场的位移场数据, 结合马吕斯定理, 获取了对应的波前梯度数据.结合光学传递函数计算方法, 实现对光学传递函数的获取.利用上述思路完成了对某平凸透镜光学传递函数的测量, 并将其与ZEMAX计算得到的光学传递函数进行比较.对比了低频处的实验结果和理论结果, 其误差不超过4.0%.分析了误差产生原因并验证了基于背景纹影技术对低通系统进行光学传递函数测量的可行性和有效性.
背景纹影 测量 几何光学 光学传递函数 适用性 Background oriented schlieren Measurement Geometric optics Optical transfer function Applicability
国防科学技术大学 航天科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
受到风洞实验能力的限制, 高速飞行器气动光学效应实验很难与其实际飞行情况完全一致。雷诺数作为重要的相似准则数, 在经典流体力学风洞实验中应用广泛, 研究其对于气动光学效应的影响, 对于建立气动光学相似准则具有重要意义。基于∏定理对可能影响气动光学效应的变量进行分析, 证明了雷诺数是影响气动光学效应的一个相似准则数; 通过创新性设计变雷诺数实验装置, 可以实现喷流单位雷诺数在106~108 m-1范围内变化。通过选取八个典型的雷诺数, 并利用BOS-WS(BOS-based Wavefront Sensor)技术测量了对应状态的光程差, 通过函数拟合的方法得到了光程差的均方根值与雷诺数之间的幂函数关系式。通过对不同孔径下的测量结果进行对比和归一化处理可以发现, 对于二维超声速气膜而言, 观察孔径尺寸并不会对获取的规律产生影响。
气动光学 雷诺数 超声速气膜 相似准则 光程差 aero-optics Reynolds number supersonic film similarity standard optical path difference 红外与激光工程
2017, 46(2): 0211002
国防科学技术大学 航天科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
当光线穿过超声速湍流边界层时受到湍流密度脉动的影响, 其传播方向和相位会发生变化, 使得目标图像出现模糊、偏移和抖动等现象, 给目标识别带来困难。利用基于背景导向纹影(Background Oriented Schlieren, BOS)原理开发的基于BOS的波前传感(BOS-based Wavefront Sensor, BOS-WS)技术获得了光波通过马赫数Ma=3.0的超声速湍流边界层后的波前。基于波动光学原理计算出相应的点扩散函数(Point Spread Function, PSF)分布以及退化图像, 研究结果表明: 测量得到的波前结果对应的PSF与理想平面波前对应的PSF相比, 在峰值的大小、所在位置及形态上变化较大, PSF峰值出现衰减, PSF峰值位置出现较为明显的偏移, PSF形态出现多峰现象, 湍流边界层内密度分布较强的空间随机性得到体现, 经此PSF处理后的图像出现一定程度的退化。
气动光学 背景纹影 点扩散函数 湍流边界层 aero-optical BOS PSF turbulent boundary layer 红外与激光工程
2016, 45(10): 1018007
国防科学技术大学 航天与材料工程学院,湖南长沙,410073
以波长为10.6μm,半径0.1m,焦距106m的激光束穿过二维超音速自由射流剪切层流场为物理模型,研究了由于辐射加热强激光束对流场的干扰以及激光束穿过流场后光束远场强度的分布.结果表明:由于流场的存在,使光束的远场强度分布产生了较为明显的变化,对于射流出口处不同的马赫数以及出口压力,流场对光场的远场强度分布影响不同;对于没有引起气体介质电离的强激光束,由辐射加热引起的对超音速自由射流剪切层流场的影响可以忽略.
超音速自由剪切层 强激光束 辐射加热 远场强度分布 Supper-sonic free shear layer High-energy laser beam Laser radiation heating Distribution of intensity
国防科技大学航天与材料工程学院,湖南,长沙,410073
在论述光场与流场相互作用规律的基础上,以激光束穿过二维超音速自由射流剪切层流场为物理模型,研究了由于辐射加热强激光束对流场的干扰以及激光束穿过模型流场并在静止大气中作远距传播后光强分布的变化.结果表明模型流场对激光束远场强度分布有明显影响,流场密度分布的微小变化都会使光束远场强度分布产生明显的不同;在强激光与高速流场相互作用的过程中,如果辐射加热机理与文中的情况类似,强激光束的辐射加热对流场所造成的干扰可以忽略.
自由射流剪切层 强激光束 辐射加热 强度分布 Free shear layer High-energy laser beam Radiation heating Distributing of intensity
