[发明专利]一种模拟高速流场中星光传输的气动光学效应的方法

摘要

本发明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。

主权项

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k_num、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ρ_in表示为ρ_in＝(‑1)^Nk_ρF(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；k_ρ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Δs_i表示第i段路径的几何长度，传播距离共有k段；n_i表示第i段路径的折射率，且n_i与第i段路径上的密度ρ_i的关系为n_i＝1+K_GDρ_i，其中K_GD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。