CN107067919B

CN107067919B - 一种卧式气动光学效应模拟装置

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Publication number: CN107067919B
Application number: CN201610876369.8A
Authority: CN
Inventors: 赵烟桥; 于博洋
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2016-10-08
Filing date: 2016-10-08
Publication date: 2022-08-26
Anticipated expiration: 2036-10-08
Also published as: CN107067919A

Abstract

一种卧式气动光学效应模拟装置属于气动光学技术领域；该气动光学效应模拟装置包括水平依次设置的黑体和罐体，黑体的开口与罐体的开口相对，黑体与罐体通过连接结构连接；在黑体内部还设置有第一气泵和第一气道，第一气道深入到连接结构中；在罐体内部还设置有第二气泵和第二气道，第二气道深入到连接结构中；在连接结构中，第二气道位于第一气道上方，第二气道的开孔与第一气道的开孔上下相对；本发明气动光学效应模拟装置，利用冷热气体形成强烈对流的特性，直接生成产生气动光学效应的气流，实现气动光学效应直接模拟的目的。

Description

一种卧式气动光学效应模拟装置

技术领域

一种卧式气动光学效应模拟装置属于气动光学技术领域。

背景技术

飞行器在大气层中高速飞行时，由于其光学头罩与自由来流之间产生真实气体效应、激波诱导边界层分离、无粘流与边界层的相互干扰等，从而产生因气流密度变化、温度变化、组成成分变化及气体分子电离等引起的复杂流场，这对红外成像探测系统造成热、热辐射和图像传输干扰，引起目标偏移、抖动、模糊，这种效应称为气动光学效应。

气动光学效应给红外成像末制导带来不利影响，使导引头对目标的探测、跟踪与识别能力下降，进而影响末制导精度。由于流场密度变化，改变了在其中传播的光线的原来路径，产生偏折和相位变化，致使成像平面上造成图像的偏移，模糊，抖动以及能量损失。如果能够探索气动光学退化机理，就能够校正气动光学退化图像，减少像差，提高光学成像质量。可见，探索气动光学退化机理是改善图像质量的关键步骤。

探索气动光学退化机理，需要模拟气动光学效应。目前，很多气动光学效应模拟装置都是光学模拟装置，例如申请号为201410456264.8的发明专利《基于失真图像的气动光学效应模拟器》，以及算法模拟，例如申请号为201310193486.0的发明专利《一种模拟气动光学效应的方法和系统》，这些模拟装置或方法都没有直接生成产生气动光学效应的气流，因此属于间接模拟，而不属于直接模拟，因此距离实际的气动光学效应还有区别。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开了一种气动光学效应模拟装置，该模拟装置利用冷热气体形成强烈对流的特性，并借助气泵的帮助，直接生成产生气动光学效应的气流，实现气动光学效应直接模拟的目的。

本发明的目的是这样实现的：

一种卧式气动光学效应模拟装置，包括水平依次设置的黑体和罐体，黑体的开口与罐体的开口相对，黑体与罐体通过连接结构连接；

所述的黑体从内到外依次包括陶瓷层，中间层，冷却层和外壳；所述中间层中间设置有电阻丝，内壁设置有温度传感器，所述冷却层充水；

所述罐体顶部设置有开口，开口上设置有盖；

在黑体内部还设置有第一气泵，连接第一气泵的第一气道，所述第一气道深入到连接结构中，第一气道在连接结构中的部分顶端设置有多个开孔；开孔的直径与开孔中心到第一气泵的距离成正比；

在罐体内部还设置有第二气泵，连接第二气泵的第二气道，所述第二气道深入到连接结构中，第二气道在连接结构中的部分底端设置有多个开孔；开孔的直径与开孔中心到第一气泵的距离成正比；

在连接结构中，第二气道位于第一气道上方，第二气道的开孔与第一气道的开孔上下相对。

上述卧式气动光学效应模拟装置，还包括水箱和水泵，所述冷却层顶部和底部各有一个出口，水泵将水箱中的水泵入冷却层底部出口，水从冷却层顶部出口流回水箱。

上述卧式气动光学效应模拟装置，所述盖为炉圈结构，包括多个直径不同、依次相套、截面为阶梯结构的环形圈。

上述卧式气动光学效应模拟装置，所述罐体为伸缩结构。

以上卧式气动光学效应模拟装置，还包括光学成像系统，所述光学成像系统包括光源，针孔，准直透镜，光栅，物镜和图像传感器；光源发出的光束，经过针孔形成点光源，再经过准直透镜准直后形成平行光束，照亮光栅，所述光栅与图像传感器分别设置在物镜的物方和像方；其中，光源，针孔，准直透镜和光栅设置在黑体内部，图像传感器设置在罐体内部，物镜设置在黑体内部或罐体内部。

所述光栅能够在其所在平面内旋转90度。

有益效果：

第一、由于采用黑体与罐体开口相对的方式设置，因此能够利用冷热气体形成强烈对流的特性，直接生成产生气动光学效应的气流，实现气动光学效应直接模拟的目的；

第二、由于在连接结构中还具有相对设置的第一气道和第二气道，且第二气道的开孔与第一气道的开孔上下相对，因此在第一气道和第二气道之间，还能够形成强烈对流，与黑体与罐体产生的气流相叠加，进一步提高气动光学效应模拟效果，有利于仪器小型化；

第三、第二气道开孔的直径与开孔中心到第一气泵的距离成正比，第二气道开孔的直径与开孔中心到第一气泵的距离成正比，因此每个开孔处产生的气流会比较均匀，避免某个开孔处气流过大或过小，造成模拟失真的问题。

附图说明

图1是本发明卧式气动光学效应模拟装置的结构示意图。

图2是黑体的结构示意图。

图3是具体实施例二中黑体的结构示意图。

图4是盖的结构示意图。

图5是本发明卧式气动光学效应模拟装置中光学成像系统的结构示意图。

图中：1黑体、11陶瓷层、12中间层、13冷却层、14外壳、15第一气泵、16第一气道、2罐体、21第二气泵、22第二气道、3连接结构、5盖、6水箱、7水泵、8光学成像系统、81光源、82针孔、83准直透镜、84光栅、85物镜、86图像传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。

具体实施例一

本实施例的卧式气动光学效应模拟装置，结构示意图如图1所示。该卧式气动光学效应模拟装置包括水平依次设置的黑体1和罐体2，黑体1的开口与罐体2的开口相对，黑体1与罐体2通过连接结构3连接；

所述的黑体1从内到外依次包括陶瓷层11，中间层12，冷却层13和外壳14；所述中间层12中间设置有电阻丝，内壁设置有温度传感器，所述冷却层13充水；黑体1的结构示意图如图2所示；

所述罐体2顶部设置有开口，开口上设置有盖5；

在黑体1内部还设置有第一气泵15，连接第一气泵15的第一气道16，所述第一气道16深入到连接结构3中，第一气道16在连接结构3中的部分顶端设置有多个开孔；开孔的直径与开孔中心到第一气泵15的距离成正比；

在罐体2内部还设置有第二气泵21，连接第二气泵21的第二气道22，所述第二气道22深入到连接结构3中，第二气道22在连接结构3中的部分底端设置有多个开孔；开孔的直径与开孔中心到第一气泵15的距离成正比；

在连接结构3中，第二气道22位于第一气道16上方，第二气道22的开孔与第一气道16的开孔上下相对。

具体实施例二

本实施例的卧式气动光学效应模拟装置，在具体实施例一的基础上，进一步限定还包括水箱6和水泵7，所述冷却层13顶部和底部各有一个出口，水泵7将水箱6中的水泵入冷却层13底部出口，水从冷却层13顶部出口流回水箱，如图3所示。

这种结构设计，利用水的慢导热性，既实现了对陶瓷层11和中间层12的保温，确保气动光学效应模拟装置所模拟气动光学效应的稳定性，又实现了对外壳14的冷却，确保实验安全。

具体实施例三

本实施例的卧式气动光学效应模拟装置，在具体实施例一的基础上，进一步限定所述盖5为炉圈结构，包括多个直径不同、依次相套、截面为阶梯结构的环形圈，如图4所示，图4展示的是三个环形圈相叠加及叠加后炉圈结构的示意图。

这种结构设计，可以通过调整环形圈的数量，实现调整盖5的开口大小，进而在不改变其他结构、参数和技术指标的前提下，改变气动光学效应模拟效果，进而增大本发明气动光学效应模拟装置的模拟范围。

具体实施例四

本实施例的卧式气动光学效应模拟装置，在具体实施例一的基础上，进一步限定所述罐体2为伸缩结构。

这种结构设计，可以通过调整罐体2的长度，实现在不改变其他结构、参数和技术指标的前提下，改变气动光学效应模拟效果，进而增大本发明气动光学效应模拟装置的模拟范围。

具体实施例三和具体实施例四中，通过改变盖5的开口大小或改变罐体2的长度来改变气动光学效应模拟效果，进而增大本发明气动光学效应模拟装置的模拟范围，是采用气流进行气动光学效应直接模拟才具有的特性，该特性不仅在现有技术中没有说明，而且也超出了本领域技术人员的认知。

具体实施例五

以上卧式气动光学效应模拟装置，还包括光学成像系统8，所述光学成像系统如图5所示，包括光源81，针孔82，准直透镜83，光栅84，物镜85和图像传感器86；光源81发出的光束，经过针孔82形成点光源，再经过准直透镜83准直后形成平行光束，照亮光栅84，所述光栅84与图像传感器86分别设置在物镜85的物方和像方；其中，光源81，针孔82，准直透镜83和光栅84设置在黑体1内部，图像传感器86设置在罐体2内部，物镜85设置在黑体1内部或罐体2内部。

这种结构设计，可以对气动光学模拟效果进行监测，利用图像传感器86得到的图像进行光栅84对比度衰减的计算，根据计算结果控制电阻丝并调整温度传感器的阈值，实现整套系统闭环控制，有利于提高气动光学效应模拟的准确性。

具体实施例六

本实施例的卧式气动光学效应模拟装置，在具体实施例五的基础上，进一步限定所述光栅84能够在其所在平面内旋转90度。

经研究发现，采用气流进行气动光学效应直接模拟方式与采用光学模拟和算法模拟间接模拟方式的本质区别在于，气流会在二维方向出现光学模拟和算法模拟能够控制的差别，这样的差别在采用气流进行气动光学效应直接模拟时无法准确控制，这个特性不仅在现有技术中没有说明，而且也超出了本领域技术人员的认知，因此有必要对二维方向都进行监测。而本实施例的这种结构限定，能够实现在二维方向上监测光栅84的对比度变化规律，有效避免单一方向实现模拟，而另一方向不达标的问题，有利于提高气动光学效应模拟的准确性。

需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此，本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。

Claims

1.一种卧式气动光学效应模拟装置，其特征在于，包括水平依次设置的黑体（1），罐体（2）和光学成像系统（8），黑体（1）的开口与罐体（2）的开口相对，黑体（1）与罐体（2）通过连接结构（3）连接；

所述的黑体（1）从内到外依次包括陶瓷层（11），中间层（12），冷却层（13）和外壳（14）；所述中间层（12）中间设置有电阻丝，内壁设置有温度传感器，所述冷却层（13）充水；

所述罐体（2）顶部设置有开口，开口上设置有盖（5）；

在黑体（1）内部还设置有第一气泵（15），连接第一气泵（15）的第一气道（16），所述第一气道（16）深入到连接结构（3）中，第一气道（16）在连接结构（3）中的部分顶端设置有多个开孔；开孔的直径与开孔中心到第一气泵（15）的距离成正比；

在罐体（2）内部还设置有第二气泵（21），连接第二气泵（21）的第二气道（22），所述第二气道（22）深入到连接结构（3）中，第二气道（22）在连接结构（3）中的部分底端设置有多个开孔；开孔的直径与开孔中心到第一气泵（15）的距离成正比；

在连接结构（3）中，第二气道（22）位于第一气道（16）上方，第二气道（22）的开孔与第一气道（16）的开孔上下相对；

所述光学成像系统（8）包括光源（81），针孔（82），准直透镜（83），光栅（84），物镜（85）和图像传感器（86）；光源（81）发出的光束，经过针孔（82）形成点光源，再经过准直透镜（83）准直后形成平行光束，照亮光栅（84），所述光栅（84）与图像传感器（86）分别设置在物镜（85）的物方和像方；其中，光源（81），针孔（82），准直透镜（83）和光栅（84）设置在黑体（1）内部，图像传感器（86）设置在罐体（2）内部，物镜（85）设置在黑体（1）内部或罐体（2）内部。

2.根据权利要求1所述的卧式气动光学效应模拟装置，其特征在于，还包括水箱（6）和水泵（7），所述冷却层（13）顶部和底部各有一个出口，水泵（7）将水箱（6）中的水泵入冷却层（13）底部出口，水从冷却层（13）顶部出口流回水箱。

3.根据权利要求1所述的卧式气动光学效应模拟装置，其特征在于，所述盖（5）为炉圈结构，包括多个直径不同、依次相套、截面为阶梯结构的环形圈。

4.根据权利要求1所述的卧式气动光学效应模拟装置，其特征在于，所述罐体（2）为伸缩结构。

5.根据权利要求1所述的卧式气动光学效应模拟装置，其特征在于，所述光栅（84）能够在其所在平面内旋转90度。