[发明专利]气动光学效应计算方法及系统

说明书

本发明一种气动光学效应计算方法及系统包括：采用流体力学分析软件分析飞行器的外部气体的温度场数据、压力场数据及密度场数据；根据外部气体的温度场数据、压力场数据及密度场数据及外部气体对折射率的影响关系，计算得到飞行器外部的折射率场数据；通过折射率场数据和设定的等折射率面的选取间隔提取等折射率面，获得离散的等折射率面数据；采用多项式拟合的方式，对等折射率面数据进行拟合，以得到等折射率面的连续函数方程，相邻等折射率面之间的折射率采用同一个等效折射率值代替；将等折射率面的连续函数方程和相邻等折射率面之间的等效折射率值输入到光学设计软件中，通过光学设计软件进行光线追踪，评估气动光学效应引起的光束偏折。

技术领域

本发明属于气动光学领域，可应用于分析制导武器导引头因气动光学成像偏移引起的成像质量降低的问题，特别是涉及一种气动光学效应计算系统与方法。

背景技术

飞行器在大气层内高速飞行时，成像探测系统的光学头罩与外部气流之间发生剧烈的相互作用，形成激波、膨胀波、强湍流边界层等复杂的流场结构。飞行器的机载光学/成像系统，无论是光束发射的主动光学系统，如机载激光器，它用高能量光束来瞄准或者聚焦在目标上，达到毁坏甚至消灭目标的目的；还是接收光束的被动系统，如红外导引系统，它对目标的红外热辐射点进行探测，实现跟踪特定目标的要求。工作时都会受到这个流场的不利影响。在主动系统中，该流场使投射的光束能量衰减和偏离照射目标，在被动系统中，使光学系统接收到的图像发生偏移、模糊和抖动，这种气体流场对光学传播和光学成像系统的影响或作用称为气动光学效应。

由于流场内气流的密度、温度等参数时刻都在发生变化，这样就对飞行器的光学成像探测系统造成很大的影响，所以会直接影响成像的质量和精确定位等关键参数，也会影响飞行器对目标物的获取。气动光学效应实质是气体密度分布于不规则、非均匀的流场，影响气体折射率的分布，进而影响光线在流场中传输追迹过程，造成光学成像的光学畸变。

光线追迹法是常用的计算光束偏折的方法，其通过追踪光线每经两种不同折射率材料的交界面时发生的折射来得到光线的传输路径。在进行气动光学效应计算时，一般是预先定义一个用于光线追迹的计算网格，采用离散化计算的思想，将每个小格子里的空气折射率用同一个折射率值n_i表示，i为小格子的标号。整个光线追迹的计算需要在网格中进行，网格的边缘就是光线追迹的起始线，光线追迹计算开始后，从网格的边缘开始逐步递推，一直计算到光线传播至网格的下边缘，即光学窗口内部传感器。相邻两个小格子的折射率可能互不相同，光线从一个小格子传出后进入到另一个小格子时，在交界面上发生折射。

采用网格离散方式计算，网格单元边缘线难以与等折射率线重合，这就导致网格内部折射率变化很大，当网格单元尺寸较大时，会存在很大的误差，并且光线每穿过一个网格会累积一次误差，最终计算结果会有明显错误；采用网格加密的方式会对结果有所修正，但是网格加密会产生大量的数据量和计算量，计算时间增加，误差累积次数也增加。

采用网格离散的方式，当光线入射到网格交点位置时，交点位置的光线偏折计算比较复杂，难以计算。

采用网格离散的方式，需要手动编写光线偏折计算的程序，不能借助现有成熟商业软件，计算效率、计算成熟度、计算精度都难以保障。

采用网格离散的方式，相当于对全场空间进行三维离散，计算量大。

考虑到全场折射率梯度分布不均匀，等间距空间网格划分的方式在梯度较小位置计算量浪费，梯度的较大位置计算不准确。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题和不足，提供一种气动光学效应计算系统与方法，解决目前尚未有较为准确数值计算气动光学效应的问题，解决网格离散带来的误差累积以及计算量大的问题，解决网格离散对交点入射光线难以计算的问题，解决全场空间进行三维离散带来的计算量大的问题，解决等间距划分方式不适合非均匀梯度分布折射率场的问题。