超声速湍流边界层气动光学效应的实验研究

丁浩林; 易仕和; 付佳; 朱杨柱; 何霖

doi:10.3788/IRLA201645.1018007

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

超声速湍流边界层气动光学效应的实验研究

丁浩林, 易仕和, 付佳, 朱杨柱, 何霖

文章导航 > 红外与激光工程 > 2016 > 45(10): 1018007-1018007(7)

丁浩林, 易仕和, 付佳, 朱杨柱, 何霖. 超声速湍流边界层气动光学效应的实验研究[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(10): 1018007-1018007(7). doi: 10.3788/IRLA201645.1018007

引用本文:

丁浩林, 易仕和, 付佳, 朱杨柱, 何霖. 超声速湍流边界层气动光学效应的实验研究[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(10): 1018007-1018007(7). doi: 10.3788/IRLA201645.1018007

Ding Haolin, Yi Shihe, Fu Jia, Zhu Yangzhu, He Lin. Experimental investigation of aero-optical effect due to supersonic turbulent boundary layer[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(10): 1018007-1018007(7). doi: 10.3788/IRLA201645.1018007

Citation:

Ding Haolin, Yi Shihe, Fu Jia, Zhu Yangzhu, He Lin. Experimental investigation of aero-optical effect due to supersonic turbulent boundary layer[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(10): 1018007-1018007(7). doi: 10.3788/IRLA201645.1018007

超声速湍流边界层气动光学效应的实验研究

doi: 10.3788/IRLA201645.1018007

1.
国防科学技术大学航天科学与工程学院,湖南长沙 410073

基金项目:

国家重大仪器研制项目（11527802）;国家自然科学基金（11172326，11302256）

详细信息

作者简介:
丁浩林(1990-),男,硕士生,主要从事航天气动光学与成像制导方面的研究。Email:dinghaolin_gfkd@foxmail.com

中图分类号: V19

Experimental investigation of aero-optical effect due to supersonic turbulent boundary layer

1.
College of Aerospace Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China

摘要: 当光线穿过超声速湍流边界层时受到湍流密度脉动的影响，其传播方向和相位会发生变化，使得目标图像出现模糊、偏移和抖动等现象，给目标识别带来困难。利用基于背景导向纹影（Background Oriented Schlieren，BOS）原理开发的基于BOS的波前传感（BOS-based Wavefront Sensor，BOS-WS）技术获得了光波通过马赫数Ma=3.0的超声速湍流边界层后的波前。基于波动光学原理计算出相应的点扩散函数（Point Spread Function，PSF）分布以及退化图像，研究结果表明：测量得到的波前结果对应的PSF与理想平面波前对应的PSF相比，在峰值的大小、所在位置及形态上变化较大，PSF峰值出现衰减，PSF峰值位置出现较为明显的偏移，PSF形态出现多峰现象，湍流边界层内密度分布较强的空间随机性得到体现，经此PSF处理后的图像出现一定程度的退化。
- 气动光学 /
- 背景纹影 /
- 点扩散函数 /
- 湍流边界层
Abstract: When a planar optical wavefront is made to propagate through a supersonic turbulent boundary, affected by the density fluctuation, its propagation direction and phase will change, which make target image blur, shifting, jitter et al and bring problems for target identification. By using the BOS-based Wavefront Sensing(BOS-WS) technique based on the principle of Background Oriented Schlieren(BOS), the optical wavefront propagated through a Ma=3.0 supersonic turbulent boundary layer was acquired. Based on the wave optics principles, the corresponding Point Spread Function(PSF) distribution and degraded image were computed. The research results show that many changes are found on the PSF peak value, peak value location and shape. The PSF peak value deceases largely, the PSF value peak position appears a significant move, the PSF shape appears multi peaks phenomenon, the spatial randomness of turbulent boundary layer density distribution is obtained, the image appears to a certain degree degradation after the PSF processing.
- aero-optical /
- BOS /
- PSF /
- turbulent boundary layer

[1]	Wyckham C M, Zaidi S H, Miles R B, et al. Characterization of optical wavefront distortions due to a boundary layer at hypersonic speeds[C]//34th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference, 2003, 4308:23-26.
[2]	Zhang Tianxu, Hong Hanyu, Zhang Xinyu. Aero-optical Effect Correction:Principles, Methods and Applications[M]. Hefei:University of Science and Technology of China Press. 2014:28-30. (in Chinese)张天序, 洪汉玉, 张新宇. 气动光学效应校正-原理、方法与应用[M]. 合肥:中国科学技术大学出版社, 2014:28-30.
[3]	Gordeyev Stanislav, Jumper Eric J. Aero-optical characteristic of compressible, subsonic turbulent boundary layers[C]//34th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference, 2003:23-26.
[4]	Gao Qiong, Yi Shihe, Jiang Zongfu, et al. Temporal evolution of the optical path difference of the supersonic turbulent boundary layer[J]. Chin Phys B, 2013, 22:014202.
[5]	Liu Chunsheng, Zhang Tianxu, Yin Xingliang. Aero-optical transmission effects through the high-speed turbulent flow field[J]. Infrared and Laser Engineering, 2005, 34(6):681-686. (in Chinese)刘纯胜, 张天序, 殷兴良. 高速湍流流场气动光学传输效应研究[J]. 红外与激光工程, 2005, 34(6):681-686.
[6]	Han Zhiping, Yin Xingliang. Numerical simulation of turbulent flows effect on optical images in supersonic missles[J]. System Engineering and Electronics, 2002, 24(11):78-83. (in Chinese)韩志平, 殷兴良. 湍流对超音速导弹光学图像的影响数值仿真[J]. 系统工程与电子技术, 2002, 24(11):78-83.
[7]	Zhao Yuxin, Yi Shihe, Tian Lifeng, et al. An experimental study of aero-optical aberration and dithering of supersonic mixing layer via BOS[J]. Science China:Physics, Mechanics Astronomy, 2010, 53(1):81-94.
[8]	Yi Shihe, Chen Zhi, Zhu Yangzhu, et al. Progress on experimental techniques and studies of hypersonic/supersonic flows[J]. Acta Aeronauticaet Astronautica Sinica, 2015, 36(1):98-119. (in Chinese)易仕和, 陈植, 朱杨柱, 等. (高)超声速流动试验技术及研究进展[J].航空学报, 2015, 36(1):98-119.
[9]	Bichal A, Thurow B S. On the application of background oriented schlieren for wavefrontsensing[J]. Measurement Science and Technology, 2014, 25(1):015001.
[10]	Zhao Kaihua, Zhong Xihua. Optics(Vol. 2)[M]. Beijing:Peking University Press, 1984:129. (in Chinese)赵凯华, 钟锡华. 光学(下册)[M]. 北京:北京大学出版社, 1984:129.

[1]	许亮, 王鹿洋, 万自明, 赵世伟, 周立业, 王涛. 不同高度对0°~15°攻角气动光学成像偏移的影响 . 红外与激光工程, 2023, 52(5): 20220671-1-20220671-9. doi: 10.3788/IRLA20220671
[2]	邢占, 陈晓依, 彭志勇, 杨志旺, 张贺龙, 邢忠福, 张宁. 红外气动光学效应研究进展与思考（特邀） . 红外与激光工程, 2022, 51(4): 20220228-1-20220228-17. doi: 10.3788/IRLA20220228
[3]	张月, 王旭, 苏云, 张学敏, 郑国宪. 运动物体大气扰流可视化光学监测实验研究 . 红外与激光工程, 2022, 51(8): 20210793-1-20210793-7. doi: 10.3788/IRLA20210793
[4]	刘婷, 唐善发, 刘何伟, 钱俊宏, 张蓉竹. 湍流变化对多孔径光学系统成像特性的影响 . 红外与激光工程, 2021, 50(12): 20210189-1-20210189-8. doi: 10.3788/IRLA20210189
[5]	任晓坜, 王继红, 任戈, 翟嘉, 谭玉凤. 气动光学效应对激光扩束系统的影响 . 红外与激光工程, 2019, 48(S1): 1-5. doi: 10.3788/IRLA201948.S106001
[6]	王涛, 昝占华, 张翠亭, 姚建铨, 马俊杰, 蔡军, 李玉翔. 航天器用内螺纹的气体湍流激光多普勒式检测 . 红外与激光工程, 2018, 47(4): 406006-0406006(5). doi: 10.3788/IRLA201847.0406006
[7]	丁浩林, 易仕和, 吴宇阳, 张锋, 何霖. 基于BOS技术的气动光学流场传输效应成像偏移校正方法研究 . 红外与激光工程, 2018, 47(4): 418003-0418003(8). doi: 10.3788/IRLA201847.0418003
[8]	丁浩林, 易仕和, 付佳, 吴宇阳, 张锋, 赵鑫海. 雷诺数对超声速气膜气动光学效应影响的实验研究 . 红外与激光工程, 2017, 46(2): 211002-0211002(8). doi: 10.3788/IRLA201746.0211002
[9]	马昊军, 王国林, 陈德江, 张军, 刘丽萍, 罗杰. 热环境条件下红外窗口气动光学传输效应实验研究 . 红外与激光工程, 2017, 46(9): 904001-0904001(7). doi: 10.3788/IRLA201746.0904001
[10]	施展, 樊祥, 程正东, 朱斌, 陈熠. 关联成像的点扩散函数分析法 . 红外与激光工程, 2016, 45(11): 1124001-1124001(6). doi: 10.3788/IRLA201645.1124001
[11]	姜亮, 张宇, 张立国, 张星祥, 任建岳. 点扩散函数对星点提取误差分析的影响 . 红外与激光工程, 2015, 44(11): 3437-3445.
[12]	黄选平, 许东, 包实秋, 谭晓颂. 温度和应力动态变化对球形头罩的光传输影响 . 红外与激光工程, 2015, 44(6): 1818-1822.
[13]	张傲, 汪清, 杨敬钰, 孙懿. 编码掩模红外成像的建模与性能分析 . 红外与激光工程, 2015, 44(10): 2891-2899.
[14]	王乃祥, 徐钰蕾, 史磊, 程志峰, 姚园. 高马赫飞行器迎风面与攻角对光学窗口周围流场的影响分析 . 红外与激光工程, 2015, 44(4): 1267-1272.
[15]	郑勇辉, 孙华燕, 赵延仲, 张令军. 基于Zemax的探测激光气动光学畸变快速仿真 . 红外与激光工程, 2015, 44(S1): 80-85.
[16]	高震宇, 方伟, 张浩, 杨振岭, 王玉鹏. 小型宽光谱太阳光谱仪光学设计 . 红外与激光工程, 2015, 44(2): 590-595.
[17]	刘可辉, 王晓蕊, 张卫国. 红外点目标成像信噪比建模分析 . 红外与激光工程, 2014, 43(7): 2143-2147.
[18]	张士杰, 李俊山, 杨亚威, 陆敬辉, 李孟. 脉动流场光学传输效应仿真 . 红外与激光工程, 2014, 43(8): 2576-2581.
[19]	陈宇, 宋玉龙, 霍富荣. 用于导弹逼近告警的“日盲”紫外光学系统设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(9): 2964-2969.
[20]	葛琪, 王可东, 张弘, 李桂斌, 邸超. 长曝光大气湍流退化图像点扩散函数估计 . 红外与激光工程, 2014, 43(4): 1327-1331.

点击查看大图

计量

文章访问数: 364
HTML全文浏览量: 55
PDF下载量: 151
被引次数: 0

超声速湍流边界层气动光学效应的实验研究

doi: 10.3788/IRLA201645.1018007

1. 国防科学技术大学航天科学与工程学院,湖南长沙 410073

作者简介:
丁浩林(1990-),男,硕士生,主要从事航天气动光学与成像制导方面的研究。Email:dinghaolin_gfkd@foxmail.com

收稿日期: 2016-02-05
修回日期: 2016-03-10
刊出日期: 2016-10-25

基金项目:

国家重大仪器研制项目（11527802）;国家自然科学基金（11172326，11302256）

中图分类号: V19

关键词:

摘要: 当光线穿过超声速湍流边界层时受到湍流密度脉动的影响，其传播方向和相位会发生变化，使得目标图像出现模糊、偏移和抖动等现象，给目标识别带来困难。利用基于背景导向纹影（Background Oriented Schlieren，BOS）原理开发的基于BOS的波前传感（BOS-based Wavefront Sensor，BOS-WS）技术获得了光波通过马赫数Ma=3.0的超声速湍流边界层后的波前。基于波动光学原理计算出相应的点扩散函数（Point Spread Function，PSF）分布以及退化图像，研究结果表明：测量得到的波前结果对应的PSF与理想平面波前对应的PSF相比，在峰值的大小、所在位置及形态上变化较大，PSF峰值出现衰减，PSF峰值位置出现较为明显的偏移，PSF形态出现多峰现象，湍流边界层内密度分布较强的空间随机性得到体现，经此PSF处理后的图像出现一定程度的退化。