气动光学

气动光学
气动光学介绍
飞行器在大气层中高速飞行时，由于其光学头罩与自由来流之间产生真实气体效应、激波诱导边界层分离、无粘流与边界层的相互干扰等，从而产生因气流密度变化、温度变化、组成成分变化及气体分子电离等引起的复杂流场，这对红外成像探测系统造成热、热辐射和图像传输干扰，引起目标偏移、抖动、模糊，这种效应称为气动光学效应(Aero-Optical Effect)，如图1所示。

显然气动光学效应的存在这给红外成像末制导带来不利影响，使导引头对目标的探测、跟踪与识别能力有所降低，进而影响末制导精度。

由于流场密度变化，改变了在其中传播的光线的原来路径，产生偏折和相位变化，致使成像平面上造成图像的偏移，模糊，抖动以及能量损失。

反过来，用空气动力学流场控制技术改变流场密度分布以及使用自适应光学校正技术对成像进行校正，可以减少像差，提高光学成像质量，问题的正反两方面形成了气动光学的基础。

气动光学现象中，根据光线发射光路和接受光路的方向不同，分为主动系统
和被动系统两种形式。

例如机载寻的器是被动光学系统，也成为成像系统，而激光武器是主动光学系统，也成为投射系统。

其目的都是自动跟踪目标，最终找到或者击中目标。

气动光学是研究高速绕流对弹载成像探测或大气湍流对光学图像影响及校正的一门学科。

根据绕流速度的不同 , 气动光学的研究对象、研究内容和研究方法也不同。

当绕流为低速的大气湍流时 , 其对目标光学图像的影响可视为传统的“大气光学”的范畴 , 并采用自适应光学原理和方法进行校正 , 该方法在工程应用上已日趋成熟 , 但目前还难以适应高速飞行器弹载气动光学效应校正的需要 , 因此大气湍流对光学图像影响及其校正不是气动光学的研究重点。

当绕流速度为超高速、并且高到飞行器前缘激波后边的高温将加热飞行器表面的湍流边界层 , 激发气体分子的振动 ,带来分子的共振效应 , 同时引起气体分子的化学反应甚至电离 , 成为等离子体。

这种流体中光学传输发生质的变化并变得极其复杂 , 所涉及的学科将增加化学动力学、高温物理学、分子物理学等多学科领域 , 对它的研究需要创新思维 , 开辟新的研究途径 , 甚至形成另一支新学科，因此它也不是气动光学的研究重点。

气动光学的研究重点是绕流速度可以达到高超声速 , 但湍流边界层的气体是连续介质 , 在边界层内不存在气体电离和分子共振等现象。

此时可以运用光学和流体力学理论研究气动光学效应产生机理，运用光电技术、信号处理技术和流体力学理论等研究气动光学校正方法。

气动光学研究内容包括气动光学效应机理研究、气动光学校正方法研究、气动光学效应与校正验证试验研究和高速飞行器光学头罩技术研究等 4 个方面。

研究分为气动光学原理、气动光学工程和气动光学应用 3 个层次。

气动光学原理是气动光学开展研究的基础, 主要研究高速流场光学传输效应、高速流场热辐射效应和光学头罩气动热效应的形成机理; 研究各种基本不同原理的气动光学校正方法及其试验验证方法, 揭示气动光学的基本规律, 为气动光学工程和应用研究提供基本理论依据, 并牵引气动光学技术的发展。

气动光学工程主要研究气动光学效应工程描述与校正方法的数学建模与仿真、光学头罩设计方法, 开展气动光学校正原理系统研制和光学头罩样机研制,建立气动光学校正方法有效性和光学头罩的性能评估手段, 开展评估试验, 为
气动光学校正技术和光学头罩技术在武器装备中的应用提供设计分析手段、技术解决途径和试验评估手段。

气动光学应用主要研究气动光学校正技术和光学头罩技术在具体型号中的实际应用, 为高速飞行器采用光学成像探测实现高精度命中目标提供技术支撑。

围绕上述 4个方面的研究内容和 3个层次的工作 , 气动光学研究的主要内容有:
1、气动光学效应机理研究。

研究光学头罩高速绕流气体热辐射机理和光波在高速流场中传输的机理 , 建立飞行器光学头罩绕流流场光传输描述方法、计算模型和产生图像模糊、偏移和抖动的理论计算模型 , 建立光学头罩和高温流场包括激波热辐射分析计算模型和数据库。

2、气动光学效应校正方法研究。

研究应用湍流流场控制理论、自适应图像复原理论、光电校正理论以及气动热辐射理论、光学滤波技术、背景辐射噪声处理技术等进行气动光学效应校正的原理和方法。

其中包括: 湍流流场气动光学效应控制方法、自适应图像复原方法、光学校正方法和气动热辐射校正方法等研究。

3、气动光学效应与校正验证试验研究。

由于气动光学效应机理及校正方法研究是跨多学科的前沿性研究课题 , 需要利用现有条件或创造条件含风洞试验、光测量等开展试验与测试方法研究完成模型校验 , 为进行气动光学效应机理与校正方法研究提供技术基础。

4、高速飞行器光学头罩技术研究。

应用气动加热和热交换理论 , 建立高速飞行器光学头罩热环境分析方法 , 研究致冷与非致冷光学头罩技术方案 , 结合光学头罩总体技术指标要求在综合考虑致冷与非致冷技术、头罩材料、湍流控制等因素的基础上 , 寻找非致冷头罩和致冷头罩的设计方法。

气动光学效应分类
气动光学效应包括：高速流场光学传输效应、激波与窗口气动热辐射效应和光学头罩气动热效应。

高速流场光学传输效应：根据光学基本原理可知：光线在介质中传播时，其传输特性取决于光线的入射方向、介质的介电常数、吸收损耗和散射特性等。

光
学头罩周围流场不断变化将影响来自目标光线的传输，使红外成像探测器中的目标图像产生模糊、抖动、偏移和能量衰减，使红外成像探测系统对目标的视线角位置发生偏折，视线角速率发生抖动，从而影响红外成像探测器的探测精度。

当目标伴随有假目标或干扰时，该效应会导致红外成像系统对远距离的真目标、干扰或假目标成像发生混叠，从而降低对目标的探测识别概率，降低抗干扰和命中点选择的能力。

气动热辐射效应：飞行器在大气层中高速飞行时光学头罩周围高温激波和被气动加热的窗口产生强的红外辐射噪声，形成辐射干扰，甚至使光电探测器饱和而不能接收来自目标的辐射，该效应产生的热辐射增加了背景噪声，降低了红外成像系统的成像质量和探测系统对目标的探测信噪比，减小了红外探测系统的探测距离。

气动热效应：飞行器在高速飞行时光学头罩与来流之间发生距离的相互作用，来流受到压缩而被阻滞，在头罩表面形成边界层，在边界层内来流中的动能被耗散而转变为热能，使头罩温度升高，表面被加热，从而使得红外成像探测系统处于严重的气动热环境。

该效应将影响红外头罩的工作性能，严重时甚至会对红外头罩产生热破坏作用。

气动光学效应校正方法
气动光学效应的存在无疑将大大影响导引头的探测、识别和跟踪目标的能力，从而降低了导弹命中目标的精度。

定量地计算气动光学效应的影响，并采取有效的方法补偿、校正这种影响，成为世界各国高速导弹研制的关键课题之一。

目前，气动光学效应校正的方法主要有：
光电校正方法。

气动光学效应的光电校正技术主要包括：基于波前检测与基于像清晰化校正以及高频微型光电子校正等自适应光学校正、图像帧频与帧积分时间自适应变化校正和光学与图像处理综合校正等方法；
数字图像处理校正方法。

该方法主要是应用图像处理的方法来校正由流场和窗口带来的图像模糊与抖动。

流场设计校正方法。

通过致冷方式和光学侧窗头罩的优化设计，减小和控制
由高速流场产生的像抖动和像模糊。

参考文献
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