一種光線在變折射率平板側(cè)窗中的傳輸方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于氣動光學光傳輸效應研究領(lǐng)域，涉及一種光線在變折射率平板側(cè)窗中 的傳輸方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 當飛行器在大氣中高速飛行時，飛行器平板側(cè)窗與氣流產(chǎn)生摩擦，使得大量的動 能轉(zhuǎn)換為熱能，在側(cè)窗上產(chǎn)生嚴重的氣動加熱，同時，側(cè)窗周圍大氣迅速升溫。因此，氣動 熱環(huán)境下飛行器平板側(cè)窗的外形、溫度以及內(nèi)部光學性質(zhì)會由于熱傳導和熱應力而發(fā)生變 化。由于受熱不均勻，側(cè)窗內(nèi)部會產(chǎn)生熱應力和熱應變，受熱光效應和彈光效應影響，側(cè)窗 的折射率場呈非均勻分布，因此側(cè)窗在復雜熱環(huán)境下呈現(xiàn)變折射率特征。側(cè)窗非均勻分布 的折射率場使得通過側(cè)窗傳輸?shù)墓馐a(chǎn)生附加相位，光束波前發(fā)生畸變，這就是側(cè)窗的光 傳輸效應。側(cè)窗的光傳輸效應會引起目標像的偏移、抖動和模糊，進而影響了高速飛行器對 目標的探測、跟蹤與識別能力，因此研究復雜熱環(huán)境下光線在一種變折射率平板側(cè)窗中的 傳輸方法，對提高高速飛行器紅外成像探測精度具有重要意義。
[0003] 在對飛行器平板側(cè)窗光傳輸進行仿真研究時，需要充分考慮氣動熱環(huán)境下飛行器 平板側(cè)窗的外形和內(nèi)部光學性質(zhì)的變化，一般采用有限元分析法對側(cè)窗的溫度場與形變場 進行分析。采用有限元方法對側(cè)窗進行熱響應分析后可以得到每個節(jié)點位置的溫度以及形 變數(shù)據(jù)，進而依據(jù)彈光效可以得到對應節(jié)點處的折射率值。對側(cè)窗進行網(wǎng)格劃分后，大量節(jié) 點的形變與溫度數(shù)據(jù)使得對入射到窗口的光線的入射角以及入射平面法向量的確定變得 困難，因此對于入射到平板側(cè)窗上的光線直接按照折射定律進行光線追跡已經(jīng)不適用。
[0004] 為了通過數(shù)值仿真的方法得到目標經(jīng)過復雜氣動熱環(huán)境（包括復雜的大氣以及 變折射率窗口）后的成像情況，就必須對飛行器側(cè)窗的光傳輸方法進行研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供光線在一種變折射率平板側(cè)窗中的傳輸方法，解決了在變折 射率分布的平板側(cè)窗中光線追跡的問題，為后續(xù)采用編程實現(xiàn)變折射率平板側(cè)窗中光傳輸 仿真提供了一種算法。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0007] -種光線在一種變折射率平板側(cè)窗中的傳輸方法，通過對飛行器平板側(cè)窗外表面 變形數(shù)據(jù)進行擬合，確定對應光線入射到發(fā)生變形的平面的法向量以及對應的入射角，進 而依據(jù)提前設(shè)定的步長按照折射定律對該次折射完成后到達下一表面的折射光線的入射 點進行確定，為下一次的折射過程提供入射點與入射角。對于劃分網(wǎng)格后的側(cè)窗中上下兩 個節(jié)點之間的部分，在本發(fā)明中采用合適的折射率插值公式對中間介質(zhì)的折射率進行確 定。按照上述原理逐次循環(huán)確定入射平面法向量、入射角、折射角，進行光線在窗口內(nèi)部的 光線追跡，直到光線到達飛行器平板側(cè)窗內(nèi)表面，然后對內(nèi)表面網(wǎng)格進行擬合，按照與外表 面光線追跡相似的辦法，對飛行器平板側(cè)窗內(nèi)表面進行光線追跡。
[0008] 具體實施步驟如下：
[0009] -、飛行器平板側(cè)窗外表面光線追跡
[0010] (1)建立飛行器平板側(cè)窗未變形前的有限元結(jié)構(gòu)；
[0011] (2)在未變形飛行器平板側(cè)窗有限元結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，依據(jù)ANSYS所得的平板側(cè)窗 熱響應結(jié)果對飛行器平板側(cè)窗外表面進行曲面擬合；
[0012] (3)求入射光線與平板側(cè)窗外表面的交點E ;
[0013] (4)采用全局循環(huán)算法尋找平板側(cè)窗形變外表面面元中與E點距離最近的面元 H'、I'、J' 和 Γ ;
[0014] (5)根據(jù)最小二乘法求該面元法向量；
[0015] (6)按照折射定律確定折射光線的方向向量、下一個光線追跡點的坐標以及平板 側(cè)窗外表面光線追跡的光程。
[0016] 二、飛行器平板側(cè)窗內(nèi)部光線追跡
[0017] (1)獲得光線追跡點在介質(zhì)中的折射率值及其折射率梯度值；
[0018] (2)依據(jù)菲涅爾定律求得折射光線矢量。
[0019] 三、飛行器平板側(cè)窗內(nèi)表面光線追跡
[0020] 平板側(cè)窗內(nèi)表面光線追跡方法與窗口外表面光線追跡方法相同，在窗口內(nèi)表面進 行光線追跡時變對窗口形變內(nèi)表面進行曲面擬合以求其表面法向量，然后根據(jù)折射定律可 求得從窗口內(nèi)表面出射的光線矢量。
[0021] 本發(fā)明的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下3個方面：
[0022] (1)氣動熱環(huán)境下飛行器光學窗口的外形、溫度以及內(nèi)部光學性質(zhì)會由于熱傳導 和熱應力而發(fā)生變化，因而加大了對飛行器窗口部分進行光線追跡的難度。本發(fā)明所提出 的方法可以有效地解決這個問題，為后續(xù)采用數(shù)值仿真編程提供了一種在光線在變折射率 介質(zhì)中的傳輸方法。
[0023] (2)本發(fā)明所提出方法可以對由ANSYS分析得到的海量側(cè)窗熱響應數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn) 化，可以實現(xiàn)任意光線追跡點處折射率與折射率梯度的計算。所建立的折射率與折射率梯 度計算模型可以較精確的模擬出實際復雜熱環(huán)境下介質(zhì)的變折射率場分布。
[0024] (3)本發(fā)明所提出的光線在變折射率平板側(cè)窗中的傳輸方法在實際應用中并不局 限于平板側(cè)窗，對與其他形狀的飛行器窗口或頭罩也適用，因而在實際應用時，可以靈活做 出變動，實現(xiàn)光線在任意形狀光學窗口中的光傳輸仿真。
【附圖說明】
[0025] 圖1為飛行器平板側(cè)窗有限元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖2為光線追跡落點E判定在飛行器側(cè)窗內(nèi)示意圖；
[0027] 圖3為光線追跡落點E判定不在飛行器側(cè)窗內(nèi)示意圖；
[0028] 圖4為平板側(cè)窗外表面曲面擬合以及光線追跡示意圖；
[0029] 圖5為平板側(cè)窗內(nèi)部某一折射率網(wǎng)格內(nèi)包含的離散光程示意圖；
[0030] 圖6為平板側(cè)窗內(nèi)部光線追跡流程圖；
[0031] 圖7為平板側(cè)窗內(nèi)外表面光線追跡流程圖；
[0032] 圖8為光線在變折射率平板側(cè)窗光傳輸簡單模型示意圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本 發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應涵蓋 在本發(fā)明的保護范圍中。
[0034] 本發(fā)明提供了一種光線在變折射率平板側(cè)窗中的傳輸方法，具體內(nèi)容介紹如下：
[0035] 氣動熱環(huán)境下飛行器平板側(cè)窗光線追跡流程主要包括窗口外表面光線追跡、窗口 內(nèi)部光線追跡和窗口內(nèi)表面光線追跡。光線追跡流程的簡單模型如圖8所示。下面對以上 三部分的光線傳輸原理及方法分別做出具體介紹。
[0036] 一、飛行器平板側(cè)窗外表面光線追跡
[0037] 在復雜熱環(huán)境下，外表面存在形變，且在對平板側(cè)窗做熱響應仿真分析時，只能得 到窗口外表面離散點坐標值，因此，在窗口外表面進行光線追跡時必須依據(jù)窗口實際形狀 特點對窗口外表面進行曲面擬合。
[0038] 在本發(fā)明中，所要研究的飛行器平板側(cè)窗未變形前的有限元結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所 示。該平板側(cè)窗長1 = 〇· 〇8m，寬W = 0· 06m，高d = 0· 008m，窗口的外表面四個頂點分別 為A，B，C，D。當入射的光線與該平板側(cè)窗外表面的交點為E時，需要對點E是否在該平板 側(cè)窗的外表面內(nèi)進行判斷。判斷的方法為：可通過計算E點與平板側(cè)窗四個頂點A，B，C，D 中兩兩相鄰頂點之間的夾角和進行判別?？紤]到實際計算中可能存在誤差以及采用計算機 編程后在執(zhí)行代碼時易出錯，需要給定一個誤差限ε，進行判斷。ε的取值在大于〇的情 況下越小越精確，一般情況下，取其值為10 5左右即可。如果滿足以下公式：
[0039] Z AEB+ Z BEC+ Z CED+ Z DEA-2 π ^ ε ；
[0040] 則E點在A窗口的外表面內(nèi)，如圖2所不；否則，E點不在該平板側(cè)窗的外表面內(nèi)， 如圖3所示，不需要對該根光線繼續(xù)進行追跡。
[0041] 劃分網(wǎng)格之后，平板側(cè)窗外表面某一網(wǎng)格內(nèi)曲面擬合以及光線追跡的示意圖如圖 4所示，其他形狀窗口表面光線追跡原理與平板側(cè)窗類似。
[0042] 根據(jù)圖4,當入射的光線與某一平板外表面的交點為E點時，通過循環(huán)算法找到與 E點距離最近的面元H'、I'、J'和Γ。其中H、I、J和K表示未發(fā)生形變時該表面網(wǎng)格對應 的四個點；H'、I'、J'和Γ點表示入射光線與飛行器平板側(cè)窗形變外表面交點E所在的表 面網(wǎng)格的四個節(jié)點；根據(jù)H'、I'、J'和Γ四個結(jié)點的坐標，采用最小二乘法可擬合得到經(jīng) 過這四個變形點的平面的法向