專利名稱：一種模擬氣動光學(xué)效應(yīng)的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種模擬氣動光學(xué)效應(yīng)的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
帶有光學(xué)成像探測制導(dǎo)系統(tǒng)的飛行器在大氣層內(nèi)高速飛行時，光學(xué)窗口與來流之間形成復(fù)雜的流場，對光學(xué)成像探測系統(tǒng)造成熱輻射和圖像傳輸干擾，引起目標(biāo)圖像的偏移，抖動和模糊，這種效應(yīng)稱為氣動光學(xué)效應(yīng)。氣動光學(xué)效應(yīng)給制導(dǎo)系統(tǒng)帶來不利影響，降低導(dǎo)引頭對目標(biāo)的探測、跟蹤和識別能力，影響末制導(dǎo)精度。在研究如何克服氣動光學(xué)效應(yīng)對制導(dǎo)系統(tǒng)成像探測的影響時，首先需要通過模擬氣動光學(xué)效應(yīng)，獲得畸變圖像數(shù)據(jù)，然后再用圖像復(fù)原或其他校正方法改善圖像質(zhì)量。現(xiàn)有技術(shù)中利用計算機(jī)仿真，即通過計算機(jī)建立氣動光學(xué)效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型以及光學(xué)系統(tǒng)模型，進(jìn)而獲得氣動光學(xué)效應(yīng)影響下的畸變圖像。由于計算機(jī)仿真沒有包含實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)和成像探測器，無法得到實(shí)際成像探測器的畸變圖像數(shù)據(jù)，不利于后續(xù)的畸變圖像復(fù)原研究。而且，氣動光學(xué)效應(yīng)引起的波前誤差變化頻率較快，計算機(jī)仿真難以獲得動態(tài)波前誤差影響下的連續(xù)的畸變圖像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例提出一種模擬氣動光學(xué)效應(yīng)的方法，從而獲得氣動光學(xué)效應(yīng)影響下的畸變圖像數(shù)據(jù)。本發(fā)明實(shí)施例還提出一種模擬氣動光學(xué)效應(yīng)的系統(tǒng)，從而獲得氣動光學(xué)效應(yīng)影響下的畸變圖像數(shù)據(jù)。·本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案如下:—種模擬氣動光學(xué)效應(yīng)的方法，所述方法包括:利用有限元分析方法對光學(xué)窗口進(jìn)行熱學(xué)和力學(xué)分析得到有限元分析結(jié)果，根據(jù)有限元分析結(jié)果計算多幀波前誤差；將當(dāng)前幀波前誤差擬合為澤尼克Zernike多項式系數(shù)向量q ；根據(jù)q計算變形鏡各個致動器的控制電壓向量和傾斜鏡各個致動器的控制電壓
向量;變形鏡的致動器根據(jù)變形鏡的控制電壓進(jìn)行調(diào)整以產(chǎn)生波前誤差中的高階像差，傾斜鏡的致動器根據(jù)傾斜鏡的控制電壓進(jìn)行調(diào)整以產(chǎn)生波前誤差中的波前傾斜，然后采集并保存成像探測器上的畸變圖像，再次根據(jù)當(dāng)前幀的波前誤差擬合q。所述將當(dāng)前幀波前誤差擬合為Zernike多項式系數(shù)向量q包括:根據(jù)Zernike多項式的廣義逆矩陣與當(dāng)前幀波前誤差的乘積確定q。所述根據(jù)Zernike多項式的廣義逆矩陣與當(dāng)前幀波前誤差的乘積確定q包括:采用奇異值分解法、正則方程法或豪斯霍爾德Householder變換法,根據(jù)Zernike多項式的廣義逆矩陣與當(dāng)前幀波前誤差的乘積確定q。所述根據(jù)q計算變形鏡各個致動器的控制電壓向量和傾斜鏡各個致動器的控制電壓向量包括:采用奇異值分解法、正則方程法或Householder變換法，根據(jù)q計算變形鏡各個致動器的控制電壓向量和傾斜鏡各個致動器的控制電壓向量。一種模擬氣動光學(xué)效應(yīng)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:光源、第一透鏡、變形鏡、第二透鏡、第三透鏡、傾斜鏡、第四透鏡和成像探測器；光源發(fā)出的光通過第一透鏡準(zhǔn)直后入射到變形鏡，變形鏡產(chǎn)生波前誤差中的高階
像差;從變形鏡出射光依次通過第二透鏡和第三透鏡，入射到傾斜鏡，傾斜鏡產(chǎn)生波前誤差中的波前傾斜；傾斜鏡的出射光經(jīng)第四透鏡成像到成像探測器中。所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括第一反射鏡和第二反射鏡，變形鏡的出射光經(jīng)由第一反射鏡反射，依次通過第二透鏡和第三透鏡，經(jīng)由第二反射鏡反射入射到傾斜鏡。所述光源位于第一透鏡的前焦點(diǎn)上；所述變形鏡的中心位于第一透鏡的后焦點(diǎn)；變形鏡位于第二透鏡的前焦面；傾斜鏡位于第三透鏡的后焦面；成像探測器位于第四透鏡的后焦面上。所述變形鏡為壓電變形鏡、微機(jī)械薄膜變形鏡中的任意一種。所述傾斜鏡為壓電傾斜鏡。從上述技術(shù)方案中可以看出，在本發(fā)明實(shí)施例中利用有限元分析方法對光學(xué)窗口進(jìn)行熱學(xué)和力學(xué)分析得到有限元分析結(jié)果，根據(jù)有限元分析結(jié)果計算在時間段內(nèi)的多幀波前誤差；將當(dāng)前幀波前誤差擬合為Zernike多項式系數(shù)向量q ;根據(jù)q計算變形鏡各個致動器的控制電壓向量和傾斜鏡各個致動器的控制電壓向量；變形鏡的致動器根據(jù)變形鏡的控制電壓進(jìn)行調(diào)整，傾斜鏡的致動器根據(jù)傾斜鏡的控制電壓進(jìn)行調(diào)整，然后采集并保存成像探測器上的畸變圖像，再次根據(jù)當(dāng)前幀的波前誤差擬合q。根據(jù)多幀波前誤差調(diào)整變形鏡和傾斜鏡，在成像探測器上就能夠獲得氣動光學(xué)效應(yīng)影響下的畸變圖像數(shù)據(jù)。


圖1為模擬氣動光學(xué)效應(yīng)的方法流程示意圖；圖2為模擬氣動光學(xué)效應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)表達(dá)得更加清楚明白，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明再作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。在本發(fā)明實(shí)施例中，通過有限元分析獲得由于熱光學(xué)效應(yīng)、光學(xué)窗口變形和彈光效應(yīng)引起的多幀波前誤差數(shù)據(jù)，經(jīng)由變形鏡和傾斜鏡實(shí)現(xiàn)對氣動光學(xué)效應(yīng)的模擬，進(jìn)而獲得氣動光學(xué)效應(yīng)影響下的畸變圖像數(shù)據(jù)。
參見附圖1是模擬氣動光學(xué)效應(yīng)的方法流程示意圖，具體包括以下的步驟:101、利用有限元方法對光學(xué)窗口進(jìn)行熱學(xué)和力學(xué)分析，根據(jù)有限元分析結(jié)果計算出由于熱光學(xué)效應(yīng)、光學(xué)窗口變形和彈光效應(yīng)引起的多巾貞波前誤差。建立高速飛行器光學(xué)窗口在氣動熱環(huán)境下有限元分析模型。分析高速飛行器光學(xué)窗口在氣動熱環(huán)境下的物理特性和光學(xué)特性，對該光學(xué)窗口在氣動熱環(huán)境下的溫度場、應(yīng)力場、應(yīng)變場和位移場進(jìn)行數(shù)值計算。根據(jù)有限元分析的結(jié)果，可以得到氣動熱環(huán)境下光學(xué)窗口引起的波前畸變。氣動熱環(huán)境隨時間變化，對不同的時間采樣點(diǎn)進(jìn)行有限元分析可以得到隨時間變化的多幀波前誤差。上述過程是現(xiàn)有技術(shù)，不再詳述。102、將當(dāng)前幀波前誤差數(shù)據(jù)擬合為Zernike多項式系數(shù)向量。以Zernike多項式作為基底函數(shù)系對波前誤差進(jìn)行擬合有以下優(yōu)點(diǎn):(I) Zernike多項式擬合波前誤差的精度高。(2)光學(xué)系統(tǒng)一般具有圓形光瞳,歸一化后為單位圓,而Zernike多項式在單位圓上正交，這就避免了擬合系數(shù) 之間的耦合造成其物理意義的混淆不清。第一次擬合時當(dāng)前幀為第一幀波前誤差數(shù)據(jù)。當(dāng)根據(jù)第一幀波前誤差數(shù)據(jù)擬合得到q并在成像探測器上得到畸變圖像后，此時當(dāng)前幀為第二幀，再次通過步驟102-104擬合得到q并在成像探測器上得到畸變圖像，以此類推直到最后一幀或人工停止此循環(huán)過程。{Φ (xm, ym)}是以離散形式表示的波前誤差,其中m = 1，...，M, M為離散點(diǎn)個數(shù)，(xm, ym)為離散點(diǎn)的坐標(biāo)。{qj為Zernike系數(shù)向量,其中i=l,...N, N為擬合的Zernike多項式階數(shù)。矩陣{Zn(xm，ym)}表示第η階Zernike多項式在所有采樣點(diǎn)處的值。則有
權(quán)利要求
1.一種模擬氣動光學(xué)效應(yīng)的方法，其特征在于，所述方法包括: 利用有限元分析方法對光學(xué)窗口進(jìn)行熱學(xué)和力學(xué)分析得到有限元分析結(jié)果，根據(jù)有限元分析結(jié)果計算多幀波前誤差； 將當(dāng)前幀波前誤差擬合為澤尼克Zernike多項式系數(shù)向量q ； 根據(jù)q計算變形鏡各個致動器的控制電壓向量和傾斜鏡各個致動器的控制電壓向量； 變形鏡的致動器根據(jù)變形鏡的控制電壓進(jìn)行調(diào)整以產(chǎn)生波前誤差中的高階像差，傾斜鏡的致動器根據(jù)傾斜鏡的控制電壓進(jìn)行調(diào)整以產(chǎn)生波前誤差中的波前傾斜，然后采集并保存成像探測器上的畸變圖像，再次根據(jù)當(dāng)前幀的波前誤差擬合q。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述模擬氣動光學(xué)效應(yīng)的方法，其特征在于，所述將當(dāng)前幀波前誤差擬合為Zernike多項式系數(shù)向量q包括:根據(jù)Zernike多項式的廣義逆矩陣與當(dāng)前幀波前誤差的乘積確定q。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述模擬氣動光學(xué)效應(yīng)的方法，其特征在于，所述根據(jù)Zernike多項式的廣義逆矩陣與當(dāng)前幀波前誤差的乘積確定q包括: 采用奇異值分解法、正則方程法或豪斯霍爾德Householder變換法,根據(jù)Zernike多項式的廣義逆矩陣與當(dāng)前幀波前誤差的乘積確定q。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述模擬氣動光學(xué)效應(yīng)的方法，其特征在于，所述根據(jù)q計算變形鏡各個致動器的控制電壓向量和傾斜鏡各個致動器的控制電壓向量包括: 采用奇異值分解法、正則方程法或Householder變換法，根據(jù)q計算變形鏡各個致動器的控制電壓向量和傾斜鏡各個致動器的控制電壓向量。
5.一種模擬氣動光學(xué)效應(yīng)的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括:光源、第一透鏡、變形鏡、第二透鏡、第三透鏡、傾斜鏡、第四透鏡和成像探測器； 光源發(fā)出的光通過第一透鏡準(zhǔn)直后入射到變形鏡，變形鏡產(chǎn)生波前誤差中的高階像差; 從變形鏡出射光依次通過第二透鏡和第三透鏡，入射到傾斜鏡，傾斜鏡產(chǎn)生波前誤差中的波前傾斜； 傾斜鏡的出射光經(jīng)第四透鏡成像到成像探測器中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述模擬氣動光學(xué)的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括第一反射鏡和第二反射鏡， 變形鏡的出射光經(jīng)由第一反射鏡反射，依次通過第二透鏡和第三透鏡，經(jīng)由第二反射鏡反射入射到傾斜鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述模擬氣動光學(xué)的系統(tǒng)，其特征在于，所述光源位于第一透鏡的前焦點(diǎn)上；所述變形鏡的中心位于第一透鏡的后焦點(diǎn)； 變形鏡位于第二透鏡的前焦面； 傾斜鏡位于第三透鏡的后焦面； 成像探測器位于第四透鏡的后焦面上。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述模擬氣動光學(xué)的系統(tǒng)，其特征在于，所述變形鏡為壓電變形鏡、微機(jī)械薄膜變形鏡中的任意一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述模擬氣動光學(xué)的系統(tǒng)，其特征在于，所述傾斜鏡為壓電傾斜鏡。
全文摘要
一種模擬氣動光學(xué)效應(yīng)的方法，所述方法包括利用有限元分析方法對光學(xué)窗口進(jìn)行熱和結(jié)構(gòu)分析得到有限元分析結(jié)果，根據(jù)有限元分析結(jié)果計算多幀波前誤差；將當(dāng)前幀波前誤差擬合為Zernike多項式系數(shù)向量q；根據(jù)q計算變形鏡各個致動器的控制電壓向量和傾斜鏡各個致動器的控制電壓向量；變形鏡的致動器根據(jù)變形鏡的控制電壓進(jìn)行調(diào)整，傾斜鏡的致動器根據(jù)傾斜鏡的控制電壓進(jìn)行調(diào)整，然后采集并保存成像探測器上的畸變圖像，再次根據(jù)當(dāng)前幀的波前誤差擬合q。本發(fā)明還公開了一種模擬氣動光學(xué)效應(yīng)的系統(tǒng)。應(yīng)用本發(fā)明實(shí)施例后，能夠獲得氣動光學(xué)效應(yīng)影響下的動態(tài)畸變圖像數(shù)據(jù)，為氣動光學(xué)效應(yīng)的校正研究提供實(shí)驗(yàn)條件。
文檔編號G09B23/12GK103247210SQ20131019348
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月23日
發(fā)明者董冰, 胡新奇, 宋杰, 趙宏鳴, 杜惠杰, 虞紅 申請人:北京理工大學(xué), 北京仿真中心