全息干涉技术在气动光学效应研究中的应用

摘要

1948年，物理学家伽柏(Gabor)在改善电子显微镜成像质量的研究中，在前人的启发下，发明了全息照相技术。全息干涉技术的出现，使它作为干涉计量技术的进展是惊人的，它能够用干涉方法把不同瞬间存在的任意两个波形进行比较，从而实现对各种对象的定量测量。到现在，全息干涉技术已经广泛地应用在各个领域之中，本研究的气动光学效应也正在成为它的应用范围。
　　 在气动光学效应研究的范畴内，无论是如激光器输出类的主动光学系统，还是如跟踪瞄准之类的被动光学系统，气动光学现象都是由于输入输出外环境空气动力流场中折射率脉动变化所引起的。这样导致的结果是，被动光学系统光电器件接受的图像位移变形或者使光学信号减弱并使跟踪发生偏差，主动光学系统则导致其能量减弱、失去攻击力或聚焦点偏离攻击目标。气动光学技术就是要通过气动试验和仿真计算等方法，找到针对这一现象的最基础性的解决方法。影响流场介质光学传输最直接的折射率变化因素，即是物体在高速飞行时其复杂密度场的变化的结果，气动光学效应地面模拟测试研究工作也主要针对光线穿过高温和湍流、激波等复杂流场作定性显示和定量测量研究而开展的，它可为高速飞行弹体的相关技术发展提供技术支持。随着国防现代化的需要，以及航天航空工业的迅速发展，诸如红外准确制导技术所牵引的气动光学研究，已经得到越来越多的重视。
　　 本文的研究是国内首次全面系统地将全息干涉技术应用于气动光学实验研究。所涉及的气动光学效应的研究主要是地面模拟实验范畴内的测试方法的研究，本研究中，全息干涉方法涉及气动光学研究的诸多领域，贯穿气动光学研究的始终，能很好地为气动光学效应研究服务，主要从以下几个方面进行实验研究：一、使全息干涉方法从实验室走向大型风洞试验，对物体外侧激波对弹体及弹体周围密度场的影响进行研究；二、飞行体窗口外侧弹头冷却液和湍流层对穿越弹体窗口光线的相位及振幅的影响研究，以便为光学校正提供有力的支持；三、为气动光学仿真计算提供试验验证。
　　 全息干涉技术完全能在气动光学相关研究中发挥重要作用，这主要是由全息干涉技术自身的特点决定的：首先，全息干涉技术属于同光路比较，对光学器件要求较低，这对于部分相位差较小的气动光学研究以及大型风洞干扰较大的现场试验来说，非常重要也非常必要；其次，对人为加入相位变化的有限全息干涉条纹图来说，可以很好地实现定量化数据处理；最后，全息本身就是一种很好的三维空间冻结技术，这对于湍流流场的三维特性研究具有重要意义，这部分工作在今后也必将有重大突破和发展。从实验的结果以及与其它方法得到的结果的对比可以看到，在气动光学的机理研究、气动校正和仿真计算全过程，全息干涉技术都可以作为一种有效可行的试验方法为其服务。

目录

文摘

英文文摘

声明

绪论

1.1概述

1.2离轴全息干涉原理

1.3气动光学的产生

1.4国内外研究情况分析

1.4.1国外研究现状及发展趋势

1.4.2我国研究发展情况

1.5气动光学机理研究、验证试验及数学仿真

1.6气动光学效应的控制和校正技术研究

1.7本文研究的主要内容

1.7.1全息干涉技术对弹体模型的流场显示研究

1.7.2气动光学效应传输效应机理研究

1.7.3用全息进行仿真计算验证

1.7.4三维流场全息测试方法探索

2项目研究技术要求及关键点

2.1技术要求及可行性

2.1.1技术要求

2.1.2可行性技术途径

2.2技术路线

2.2.1实验设备

2.2.2模型选择

2.2.3低频湍流测量的实施

2.2.4高频湍流相位畸变测试

2.2.5玻璃应力等因数的影响

2.2.6全息三维显示的展望

2.3关键点

2.3.1现场防震问题

2.3.2干扰问题

2.3.3风洞光路布局

2.3.4全息有限干涉条纹的获得

2.3.5高速模型自发光的消除

2.3.6聚焦纹影光照度不足的解决

2.4本章小结

3轴对称体外形激波研究

3.1试验装置及模型

3.1.1试验装置

3.1.2试验模型

3.2光学系统布局

3.3试验结果以及定性分析

3.4试验结果的定量处理

3.5试验与数值模拟计算的比较

3.6技术难点及解决办法

3.6.1全息干涉仪的调试

3.6.2触发测控系统

3.6.3系统的模型发射

3.6.4系统的抗干扰措施

3.6.5数据的处理

3.7本章小结

4穿越高速流场光线的相位畸变测量

4.1概述

4.2用哈特曼传感器测量相位畸变

4.2.1试验装置及原理

4.2.2试验数据

4.3用全息干涉法测量相位畸变

4.3.1概述

4.3.2试验装置及光路布置

4.3.3试验结果

4.4本章小结

5全息用于流场仿真计算验证

5.1概述

5.2完全气体流场仿真的试验验证

5.2.1实验装置及设备

5.2.2仿真计算与试验试验结果对比验证

5.3非完全气体流场的仿真验证

5.3.1实验装置及测试设备

5.3.2实验结果分析

5.4本章小结

6总结与展望

致 谢

参考文献

附 录 在攻读学位期间发表的论文目录