基于涡结构的高速湍流场光传输分析

admin · 发表于 2023-10-7 16:12:28

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红外成像探测与制导系统具有精度高、自动目标识别以及较强的抗干扰能力，是现代探测与制导技术的研究热点之一。当飞行器在大气层内高速飞行时,其光学头罩与大气之间产生剧烈的相互作用，会在头罩周围产生复杂的湍流边界层。目标发出的光线在穿过湍流边界层时,光线的波前发生畸变，进而导致光学探测器上的图像像质变差，大大影响了系统识别和跟踪目标的能力，降低了探测和制导精度。这种现象称为气动光学效应。为了提高红外成像系统的探测能力，有必要定量计算气动光学效应的影响，以便采取有效的方法补偿和校正这种影响。论文从湍流边界层的物理特性分析入手，结合计算流体力学(Computation Fluid Dynamics, CFD)计算数据，研究了高速湍流场中大尺度相干结构的提取及其对光传输的影响。论文的主要研究工作与创新如下： 1.提出一种将本征正交分解与典型相关分析相结合的流场大尺度相干结构提取方法。该方法取三维密度场沿展向的两个相邻截面的数据先进行典型相关分析提取出两个截面的相关性最强部分，再利用本征正交分解消除两个截面间数据的冗余信息，获得了能够包含两个截面密度场的主要信息部分，即为更接近真实流场大尺度相干结构的信息。利用提取出的数据重构流场，并进行了气动光学畸变仿真分析,验证了国外文献提出的湍流中的大尺度相干结构产生了主要的光学畸变这一结论。 2. 利用张量理论中的高阶奇异值分解，将二维截面数据的本征正交分解方法推广到了三维数据，实现了“高阶本征正交分解”。通过对数据的降秩处理与重构后，得到了更符合真实流场空间形态的流场大尺度相干结构，这一处理过程全面考虑了流场数据在流向、展向和法向三个方向的相关性，克服了本征正交分解只能考虑数据在展向和法向的相关性，提取到的信息更符合流场的大尺度相干结构信息，光传输效应的仿真计算也验证了这一点。论文的研究工作较好地解决了高超声速湍流流场大尺度相干结构的分析与提取，为进一步研究流场中光的传输效应做出了一定的贡献。

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