中国科学院西安光学精密机械研究所， 陕西 西安 710119
随着空间安全与应用探索的不断深入，近空间飞行器目标探测效能成为研究的核心问题。光学成像探测能够直观反映目标的形态、光谱与运动特性等多维度信息，因此成为空间探测感知的重要手段。在近空间大气密度、气压、对流等条件作用下，导致高速飞行器光学探测设备成像质量与探测性能衰减。采用以成像系统、大气传输系统和目标背景系统为要素的目标探测分析模型，根据气动光学效应理论，建立高速流场气动光学效应评价方程，对深空、近地等典型应用场景进行成像探测分析。设计了高速流场环境下目标探测地面验证试验，仿真测试结果表明，针对空间高速飞行目标，采用900~1 700 nm谱段短波红外探测器配合厚度10 mm以上石英窗口，对尾焰目标辐射具有良好观测效果；通过降低探测设备曝光时间、优化曝光控制策略及选用光学带通滤光片等方式，能够有效抑制背景杂光与气动光学效应影响。
近空间 目标探测 气动光学效应 高速流场 near space target detection aero-optical effect high speed flow field 红外与激光工程
2022, 51(12): 20220218
中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所，四川 绵阳 621000
转塔绕流会带来严重的气动光学效应影响，从而限制机载激光**性能的有效发挥，故转塔气动光学效应的抑制研究具有现实的迫切性。采用高精度数值仿真方法，并结合风洞验证试验，以提供高置信度的时间序列波前数据。据此，建立校正残差在空域中随校正阶数的变化曲线与散点图，用于自适应光学校正的定量评估。研究结果表明：转塔流场中存在脱落涡街等复杂结构，当马赫数较高时还会出现激波；顶视气动光学效应最强，前视稳态像差含量高，顶视和后视动态像差占比大，激波结构会增加波前的动态像差占比；前视可以取得很好的自适应光学校正效果，而顶视校正难度较大，对自适应光学校正的变形镜拟合波面能力要求较高。因此，转塔气动光学效应的抑制建议采用自适应光学校正与流动控制结合等联合抑制方法。
大气光学 自适应光学校正 气动光学效应 光学转塔 校正阶数 波前重构 光学学报
2022, 42(24): 2401004
红外与激光工程
2020, 49(6): 20201016
1 中国空气动力研究与发展中心设备设计及测试技术研究所, 四川 绵阳 621000
2 中国工程物理研究院应用电子学研究所, 四川 绵阳621900
采用改进的延迟脱体涡仿真(IDDES)方法、双时间步LU-SGS方法、本征正交分解(POD)方法开展数值仿真,并分析吊窗的尾迹流动气动光学效应的非稳态特性。仿真流线与油流实验在总体上可比性较好,但二者的吊窗尾迹区流场结构存在一定差异。吊窗流动易分离,K-H不稳定波会使分离剪切层失稳并产生脱落涡街,涡街与颈项涡相互作用,在吊窗尾迹区产生复杂的非稳态流动。吊窗尾迹流动气动光学效应以稳态相差为主,占比达70%,稳态相差会弱化气动光学效应的非稳态特性;波前以低阶模态为主,阶数越高,模态包含越多小尺度结构。根据标度律,在海拔为10 km与吊窗直径为2 m条件下,方均根光程差的时均值约为0.48λ,气动光学效应将得到进一步加强,这会对高能激光**(ABL)性能带来不利影响。
大气光学 气动光学效应 吊窗 改进的延迟脱体涡仿真 本征正交分解 非稳态特性 光学学报
2020, 40(16): 1601001
1 中国科学院自适应光学重点实验室, 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所, 成都 610209
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 重庆连芯光电技术研究院有限公司, 重庆 400021
受气动光学效应的影响, 来自目标的光波波前会产生动态扰动, 导致成像模糊化。常用的校正方法是在测得波前的前提下进行解卷积处理, 达到还原图像的效果。传统的波前传感器只能有效测量中心视场, 由于存在非等晕问题, 导致所能还原的图像区域过小。光场相机波前传感器作为一种新型波前传感器, 具有视场大、动态范围大的优点, 可以同时探测模糊图像不同区域的点扩散函数, 从而一次性还原整幅图像。文章利用Matlab模拟了光场相机的大视场波前探测特性, 对气动光学效应引起的模糊图像进行清晰化处理, 并与夏克-哈特曼传感器的模拟结果进行了比较。结果表明, 光场相机波前传感器可以对气动光学效应造成的波前扰动进行有效的大视场波前探测, 一次探测能够清晰化整个视场的图像, 且视场范围是传统波前传感器的数倍以上。
图像模糊 解卷积 波前测量 光场相机 图像清晰化 气动光学效应 image blur deconvolution wavefront measurement light field camera image sharpening aero-optical effect
通过对相同马赫数、相近雷诺数、不同转塔口径(400 mm和2000 mm)的绕流流场模拟和气动光学效应进行分析,给出了不同发射方向时气动光学效应导致的光束倾斜角和光束质量因子的时间变化特性、统计特性以及时间相关特性。结果指出:多数场景下气动光学效应中平均流场效应占主要部分,平均流场效应的特征频率由绕流流场的特征频率决定。尺寸效应的研究表明:缩比实验可以有效模拟实际飞行状态下气动光学效应的统计特性,但无法准确模拟其时间相关特性。开展了前向发射时发射方向的优化选择,指出发射方向在中轴线上天顶角约为40°时,气动光学效应导致的波前畸变统计值和涨落值最小。分析了前向发射时发射口径的影响,指出发射光束半径增加会导致平均流场效应快速增加,但湍流效应基本不变。
大气光学 气动光学效应 时空特性 数值模拟 平均流场效应 湍流效应 光学学报
2018, 38(10): 1001002
采用大涡模拟方法计算了来流速度为0.4 Ma情况下球/柱形结构附近的流场, 根据密度数据计算了光程差及气动相屏, 并研究了尾流对激光传输的影响。结果表明: 光程差空间均方根的时间平均值随发射角增大而增大, 发射角从120°增加到148°时, 其数值从0.11 μm增加到0.28 μm; 光程差空间均方根随时间变化剧烈, 发射角为148°时, 其时间均方根可达0.04 μm; 球/柱尾流对激光传输有很大影响, 发射角为148°情况下, Strehl比的时间平均值为0.33, 并且Strehl比的时间平均值随发射角的增大而减小, 发射角从120°增加到148°过程中, Strehl比的时间平均值减小了59%; Strehl比随时间变化剧烈, 其时间均方根大于0.05。
尾流 气动光学效应 激光传输 大涡模拟 wake aero-optical effect laser propagation large eddy simulation 红外与激光工程
2017, 46(9): 0906005
采用大涡模拟的方法计算了来流速度为0.5 ~0.7 Ma情况下横向球/柱形结构附近的流场, 给出了密度和光程差的统计结果, 并采用相屏法研究了几种流场对激光传输的影响。结果表明: 密度扰动均方根和光程差均方根随着来流速度和发射孔径的增加而增大; Ma从0.5增至0.7时, 孔径为0.5 m情况下, 密度扰动均方根增长了90%, 孔径为0.25 m情况下, 光程差均方根增长了90%; Ma=0.6情况下, 孔径从0.25 m增加到0.75 m时, 两个参数各增加了4倍。激光Strehl比随来流速度和发射孔径的增大而减小; 发射孔径为0.25 m情况下, 随着Ma从0.5增加至0.7, Strehl比从0.236下降至0.045; Ma=0.6情况下, 发射孔径从0.25 m增加至0.75 m过程中, Strehl下降了90%。
激光传输 气动光学效应 来流速度 laser propagation aero-optical effect free stream velocity 红外与激光工程
2016, 45(12): 1211002
1 商洛学院 经济与管理学院，陕西 商洛 726000
2 第二炮兵工程大学 信息工程系，陕西 西安 710025
提出了一种针对**目标红外模糊图像复原的降晰函数辨识算法。该算法根据气动光学效应形成湍流流场的机理建立相应的模型，将点扩展函数简化为可用参数描述的高斯函数形式；利用红外图像的边缘梯度变化特性提出边缘清晰度改善量，并作为降晰函数参数辨识的评价标准，清晰度改善量取最大值时对应的参数就是观测图像的最佳降晰函数参数；针对复原过程中可能出现的振铃效应，运用细节规整化思想衍生的加权空间复原算法，自适应地抑制寄生波纹的产生。实验验证表明，本文方法能有效地复原红外模糊图像，且对降晰函数的辨识准确率高，相对误差可以降低至4.5%左右。另外，抑制振铃寄生波纹效果良好。复原后图像在各项质量评价指标上都有很大提高，峰值信噪比提高量超过9.4 dB，综合评价指数ImageQ提高了20以上。
气动光学效应 红外模糊图像 降晰函数辨识 自适应复原 寄生波纹抑制 振铃效应 aero-optical effect infrared blur image blur identification adaptive restoration parasitic ripple suppression ringing effect 光学 精密工程
2015, 23(12): 3456
1 中国人民解放军96646部队, 陕西 汉中 713500
2 第二炮兵工程大学402教研室, 西安 710025
3 西安通信学院, 西安 710036
针对气动光学效应以及噪声等先验信息不明带来的图像模糊退化, 从而使图像过渡区域不易进行细化的问题, 提出了一种大气湍流退化图像的过渡区域提取及细化算法。首先, 对退化图像进行了基于局部方差的区域分割；然后, 对过渡区域进行噪声疑似度和边缘疑似度判断, 以获得更贴近区域中心线的较窄区域；最后, 进一步对过渡区域跟踪细化完成了轮廓提取。大量仿真实验结果表明, 算法较好地提取了退化图像的轮廓信息, 同时, 算法具有较好的区域分割效果、抗噪性能、细化效果以及实时性。
图像处理 气动光学效应 过渡区域 区域分割 跟踪细化 实时性 image processing aero-optical effect edge transitional region region segmentation track refining real-time performance
