[发明专利]一种超声速混合层控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声速混合层控制方法。

背景技术

当今世界，军事斗争日益激烈，各国对精确打击武器的依赖度越来越高，采用高制导精度的光学成像制导武器日益受到重视。然而，飞行器冷却射流与来流之间的相互作用，导致其周围混合层流场的折射率在时间和空间上均呈现出明显的不均匀性，来自目标的光线穿过这样的折射率场时，会产生光线偏折、相位畸变或者成像散焦，光学系统接收到的将是受到扰动的目标图像，这将大大影响其探测、识别和跟踪目标的能力，降低击中目标的准确度，甚至脱靶^[1]。因此，研究超声速混合层流场的流动机理，探寻其气动光学效应和流场结构之间的内在关系，并采取适当的控制方法降低气动光学影响、提高其光学性能，是光学成像制导武器研究工作中的关键问题之一。

Stanek M J等人^[2]指出，大尺度湍流结构的运动导致了光束的偏折和抖动；中尺度湍流结构对能量的扩散作用，使得光束发生扩散，进而导致了成像模糊；小尺度湍流结构对光的散射，使得光束通过流场后能量衰减，导致了斯特尔比SR的降低。上述气动光学效应和湍流尺度有关，并且是同时存在的。Fitzgerald E J^[3]和Catrakis H J^[4]等人的研究发现，湍流剪切层流动中的大尺度结构主导了近场气动光学效应。2006年，Zubair F R等人^[5]研究了可压缩湍流中光学波前沿光束传播方向的变化，分析不同分辨率流场对应的近场波前变化，发现波前的整体分布没有明显变化，对近场波前整体分布起重要作用的是湍流中的大尺度结构。从上述关于气动光学效应和流场结构之间关系的研究结果来看，不同尺度的湍流结构对气动光学效应有不同程度的影响，并且这些影响是同时存在的；影响光束偏折和抖动的主要是混合层中的大尺度涡结构。

超声速混合层流场导致的气动光学畸变具有很高的频率，以至于目前的自适应光学系统不能对其进行实时修正^[6]。要想降低流场带来的气动光学扰动，可行的办法是通过光学窗口的几何外形改变流场结构，或者往流场中喷射气流来补偿流场的折射率分布不均匀性。Princeton大学的Smitts A J和Miles R B通过往Ma＝8流场中平板边界层的转捩区域和完全发展的湍流区域中喷射氦气，来改善其气动光学性能^[7]，并采用FRS技术观察有无喷射氦气的流场结构。2005年，Wyckham C等人对喷射氦气的跨声速和高超声速湍流边界层导致的气动光学畸变进行了测量^[8]。Wyckham C等人采用Hartmann波前传感器，对跨声速和高超声速边界层带来的气动光学畸变进行了实时测量，该传感器的时间精度可达2μs。得到了Ma＝0.6和Ma＝8流场中有无喷射氦气的混合层湍流导致的气动光学扰动的一系列数据，这些数据对控制波前畸变有很大帮助^[8]。2006年，WyckhamC等人对跨声速和高超声速流场中喷射氦气的湍流混合层产生的光学畸变进行比较，发现混合层中的大尺度结构是影响气动光学畸变的主要因素^[9]，验证了大孔径近似假设。在这方面，国内的气动光学研究人员也做了很多卓有成效的工作。费锦东从高速导弹采用红外成像末制导技术所面临的新问题出发，研究了气动光学效应规律，指出进行气动光学效应的校正对高速导弹光学头罩的设计、提高导引头对目标探测的信噪比，以及提高末制导精度和抗干扰能力具有重要作用^[10]。2004年，张丽琴和费锦东针对高超声速飞行的精确制导飞行器所遇到的气动光学问题，介绍了气动光学效应的光电校正方法，包括基于波前检测与基于像清晰化校正以及高频微型光电子校正等自适应光学校正、图像帧频与帧积分时间自适应变化校正以及光学与图像处理综合校正等方法，并对各种方法进行了比较分析。指出图像帧频与帧积分时间自适应变化校正技术能提高作用距离和图像清晰度，并可有效地改善图像的模糊与高频抖动。相位差异合成法原理简单、易于实现，比较适合于弹载环境，在气动光学效应校正中具有良好的应用前景^[11]。2005年，李艳芳等人介绍了针对平板湍流边界层控制的三种方法：壁面冷却、吸气和壁面形状的优化，研究结果表明这三种方法对于控制平板湍流边界层、降低气动光学扰动能发挥有效作用^[12]。

上述学者在气动光学控制技术方面做出了非常重要的工作，然而对于超声速混合层的气动光学控制还没有切实有效的方法。

发明内容