气动光学窗口POD分析及光传输效应建模与仿真

摘要

随着现代军事技术的迅速发展，红外热成像跟踪、制导、探测系统在高精度打击武器或高速精确制导飞行器中的引用越来越广泛。带有带有红外热成像探测、跟踪系统的高速飞行器(一般其上嵌有光学侧窗，或以光学头罩覆于导引头)在大气层中飞行时，因气动光学效应的影响，其光学窗口或头罩表面与来流之间的激波层、边界层等复杂的流场产生强烈的相互作用，对飞行器内部红外热成像探测、跟踪系统造成气动热、热辐射和光传输畸变效应，处于这种复杂热环境下的光学系统成像将会发生抖动、偏移以及模糊等失真。因气动光学效应的存在，光学窗口或光学头罩在这种复杂湍流流场环境作用下，也会产生因温度差等影响产生温度梯度和窗口表面变形，进而导致窗口材料产生热应力，同样会严重影响到红外成像系统的成像质量。因此，研究气动光学窗口在气动热环境下的光传输特性以及对成像质量的影响，有着重要的意义。
　　 本文通过计算机仿真的方式，主要研究两方面的内容：一，基于本征正交分解(POD)理论，对气动热环境中光学窗口折射率场本征结构进行了分析和提取，探索了造成气动光学窗口光传输畸变的主要原因，提出了一个简便利用本征结构来对窗口折射率场进行反设计的方法，通过POD分析，提高了程序在读取、保存窗口折射率场数据的效率，对探究窗口气动光学效应的预测途径也有一定的启发意义。二，对光线在气动光学窗口中的光传输进行建模与仿真，得到出射波面波像差，在此基础上计算出气动光学窗口的各成像质量评价指标(点扩散函数、调制传递函数、斯特列尔比等)，并用一幅四杆靶标模拟真实目标，得到其经光学窗口传输之后的畸变图像。使用C++语言，利用VC++6.0与Matfor编制了仿真计算程序，实现了上述内容的仿真功能。