CN108534983B - 阵列吹气式气动光学模拟装置 - Google Patents

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Abstract

阵列吹气式湍流效应模拟装置属于湍流技术领域；该湍流效应模拟装置包括黑体，气道编码冷却系统和气道编码系统；黑体阵列结构的开口，由气道编码冷却系统其中一个孔阵列连接，经过气道后，再与气道编码系统连接，最后输出阵列结构的热风，与外界形成强对流，产生湍流效应；气道编码冷却系统中的转盘转动，实现不同排列方式的n条气道接入系统，进而实现编码；本发明湍流效应模拟装置，利用冷热气体形成强烈对流的特性，直接生成产生湍流效应的气流，实现湍流效应直接模拟的目的。

Description

阵列吹气式气动光学模拟装置
本申请是发明专利申请《一种阵列吹气式气动光学效应模拟装置》的分案申请。
原案申请日：2016-10-08。
原案申请号：2016108763683。
原案发明名称：一种阵列吹气式气动光学效应模拟装置。
技术领域
阵列吹气式气动光学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，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：
阵列吹气式气动光学效应模拟装置，包括黑体，气道编码冷却系统和气道编码系统；
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；黑体的内部设置有风机，将热风从黑体的开口处吹出，所述开口为1×n的阵列结构；
气道编码冷却系统包括转盘，在转盘的半径方向上分布有n！个孔阵列，每个孔阵列包括n个孔，每个孔阵列均包含n条气道，每个气道的直线距离相等，所包含的环形结构各不相同，路程升幂排列后成等差数列；不同孔阵列所对应气道的排列方式各不相同；
气道编码系统将n条气道排列成a×b的阵列结构，且a×b＝n；
黑体阵列结构的开口，由气道编码冷却系统其中一个孔阵列连接，经过气道后，再与气道编码系统连接，最后输出阵列结构的热风，与外界形成强对流，产生气动光学效应；气道编码冷却系统中的转盘转动，实现不同排列方式的n条气道接入系统，进而实现编码。
上述阵列吹气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。
以上阵列吹气式气动光学效应模拟装置，还包括设置在气道编码系统外侧的与气流方向垂直的光学成像系统，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。
所述光栅能够在其所在平面内旋转90度。
有益效果：
第一、由于设置有黑体，能够利用黑体中的高温气体与外界低温气体之间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、本发明包括黑体，气道编码冷却系统和气道编码系统，黑体阵列结构的开口，由气道编码冷却系统其中一个孔阵列连接，经过气道后，再与气道编码系统连接，最后输出阵列结构的热风，即输出a×b组温度各不相同的气流，进而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；
第三、气道编码冷却系统包括转盘，在转盘的半径方向上分布有n！个孔阵列，每个孔阵列包括n个孔，每个孔阵列均包含n条气道，每个气道的直线距离相等，所包含的环形结构各不相同，路程升幂排列后成等差数列；不同孔阵列所对应气道的排列方式各不相同；在这种结构下，可以实现对a×b组气流温度任意调整，进而实现可确定状态气动光学效应模拟；
第四、在气道编码冷却系统的结构下，转盘非匀速转动，可以实现随机状态气动光学效应的模拟。
附图说明
图1是本发明阵列吹气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是同一个孔阵列中气道的的结构示意图。
图4是气道编码系统的结构示意图。
图5是本发明阵列吹气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风机、2气道编码冷却系统、21转盘、22气道、3气道编码系统、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
本实施例的阵列吹气式气动光学效应模拟装置，结构示意图如图1所示(需要说明的是，图1中的气道编码冷却系统2，只展示了一组气道22，而改组气道22，不同之处用虚线代替)。该阵列吹气式气动光学效应模拟装置包括黑体1，气道编码冷却系统2和气道编码系统3；
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的内部设置有风机15，将热风从黑体1的开口处吹出，所述开口为1×n的阵列结构；黑体1的结构示意图如图2所示，在本实施例中，n＝6，用6个箭头表示；
气道编码冷却系统2包括转盘21，在转盘21的半径方向上分布有n！个孔阵列，每个孔阵列包括n个孔，每个孔阵列均包含n条气道22，每个气道的直线距离相等，所包含的环形结构各不相同，路程升幂排列后成等差数列；不同孔阵列所对应气道22的排列方式各不相同；在本实施例中，每个孔阵列均包含6条气道22，这6条气道22的结构示意图如图3所示；
气道编码系统3将n条气道22排列成a×b的阵列结构，且a×b＝n；在本实施例中，a×b＝n为2×3＝6，在图1中，从上到下，第一、第三、第五气道22和第二、第四、第六气道形成2×3的气道阵列；
黑体1阵列结构的开口，由气道编码冷却系统2其中一个孔阵列连接，经过气道22后，再与气道编码系统3连接，最后输出阵列结构的热风，与外界形成强对流，产生气动光学效应；气道编码冷却系统2中的转盘21转动，实现不同排列方式的n条气道22接入系统，进而实现编码。
具体实施例二
本实施例的阵列吹气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4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
以上阵列吹气式气动光学效应模拟装置，在具体实施例一的基础上，进一步限定还包括设置在气道编码系统3外侧的与气流方向垂直的光学成像系统8，所述光学成像系统8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。
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。
具体实施例四
本实施例的阵列吹气式气动光学效应模拟装置，在具体实施例三的基础上，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)

1.阵列吹气式气动光学模拟装置，其特征在于，包括黑体（1），气道编码冷却系统（2）和气道编码系统（3）；
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）的内部设置有风机（15），将热风从黑体（1）的开口处吹出，所述开口为1×n的阵列结构；
气道编码冷却系统（2）包括转盘（21），在转盘（21）的半径方向上分布有n！个孔阵列，每个孔阵列包括n个孔，每个孔阵列均包含n条气道（22），每个气道（22）的直线距离相等，所包含的环形结构各不相同，路程升幂排列后成等差数列；不同孔阵列所对应气道（22）的排列方式各不相同；
气道编码系统（3）将n条气道（22）排列成a×b的阵列结构，且a×b=n；
黑体（1）阵列结构的开口，由气道编码冷却系统（2）其中一个孔阵列连接，经过气道（22）后，再与气道编码系统（3）连接，最后输出阵列结构的热风，与外界形成强对流，产生气动光学效应；气道编码冷却系统（2）中的转盘（21）转动，实现不同排列方式的n条气道（22）接入系统，进而实现编码；
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（6）；
还包括设置在气道编码系统（3）外侧的与气流方向垂直的光学成像系统（8），所述光学成像系统（8）包括光栅（84），所述光栅（84）能够在其所在平面内旋转90度。
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