高速湍流边界层气动光学传输效应研究

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雅宝题库解析：
红外成像制导技术具有精度高、抗干扰能力强等优点，是当今精确制导武器发展的关键技术之一，但光学窗口外湍流边界层造成的气动光学传输效应使目标波前畸变，严重影响了探测制导系统的性能，湍流边界层特性分析及其光学传输效应的模拟、分析与评价可为气动光学畸变校正题目提供理论基础和数值依据，是气动光学研究中的核心题目。本论文围绕上述题目，研究基于湍流结构物理特征的气动光学传输特性，部分揭示气动光学传输机理；研究传输效应的降维计算方法和神经网络模拟方法，发展气动光学效应的工程模拟方法，最后研究其评价指标。论文的主要研究工作与创新如下：1. 大尺度相干结构是气动光学传输效应的主要成因，针对单一能量或尺度准则难以客观获取该结构的不足，提出一种结合低通滤波和本征正交分解的大尺度相干结构提取方法。该方法用大尺度流场结构中包含最大能量的空间变量基表征相干结构。提取的流场参数表明，该方法提取结构更符合已知判据，对不同流场状态具有良好适应性；光学传输仿真表明，光学畸变特性反映流场特性，大尺度相干结构产生了最主要的光程差，非相干成分产生的光程差呈统计特性。2. 针对流场界面厚度方法通过遍历获取高折射率梯度门限，导致计算复杂的题目，提出一种基于高斯滤波边缘检测的门限确定方法。数值仿真表明，该方法可直接获取具有良好适应性和稳定性的梯度门限，其应用在保证光学传输计算精度的同时最大化地降低了计算信息量，为基于流动显示的气动光学传输效应研究提供了一种理论分析工具。3. 针对高超音速真实气体流场光学传输效应难以建模的题目，提出一种基于神经网络的波前畸变模拟方法。为降低应用实现的复杂度，该方法优化选取光线传输路径上的稀疏点做输入。不同流场状态的数值仿真表明，该方法能较高精度地由稀疏量测值模拟波前畸变。4. 针对气动光学传输效应评价指标多适于亚音速流和弱可压缩流的题目，在国外经验数据基础上推导出一种适于高速湍流边界层的光程差均方根上界评价指标。不同流场状态的光程差均方根参考值验证了该指标的有效性，可用于高速可压缩流气动光学传输效应的衡量与仿真精度评价。