CN112798229A - 一种气动光学效应自适应矫正系统的评估方法 - Google Patents

一种气动光学效应自适应矫正系统的评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明适用于气动光学技术领域，提供了一种气动光学效应自适应矫正系统的评估方法，该方法包括如下步骤：获取流场密度脉动导致的光线偏角随时间变化的数据结果；计算矫正残差和矫正频率；绘制平均矫正残差随矫正频率的变化曲线；绘制各矫正频率下的光线偏角的位置散点图；进行气动光学效应自适应矫正系统的评估。本发明相对于现有技术而言，可以评估更高矫正带宽的气动光学效应自适应矫正系统；可在已知气动光学效应自适应矫正系统所需要的达到的技术指标的情况下，确定气动光学效应自适应矫正系统所需的矫正带宽；可在已知气动光学效应自适应矫正系统所具有的矫正带宽的情况下，确定气动光学效应自适应矫正系统所能达到的技术指标。

Description

一种气动光学效应自适应矫正系统的评估方法
技术领域
本发明属于气动光学技术领域，尤其涉及一种气动光学效应自适应矫正系统的评估方法。
背景技术
飞行器周围流场结构复杂，并且高频脉动，频率在50kHz以上。当光束在飞行器流场中传输时，高频变化的流场会带来高频变化的气动光学效应影响，引起光束波前畸变、抖动、成像模糊和能量损耗，从而破坏飞行器光电性能的有效发挥。目前，在气动光学效应抑制方面没有特别有效的办法，如何消除气动光学效应影响仍然是一世界难题。
气动光学效应自适应矫正系统是抑制气动光学效应影响的一种可能途径，但目前气动光学效应自适应矫正系统所能提供的有效矫正带宽约200Hz，最高水平达到1kHz左右。然而，气动光学效应的变化频率近似为飞行器(如飞机或者导弹)流动的湍流脉动频率，湍流脉动频率高达50kHz以上，所以，当前的气动光学效应自适应矫正系统的矫正带宽远不能胜任气动光学效应的矫正需求。因此，需要研发具有更高矫正带宽的气动光学效应自适应矫正系统。
然而，现有技术存在两大难题，一方面，在已知气动光学效应自适应矫正系统所需要的达到的技术指标的情况下，如何确定气动光学效应自适应矫正系统所需的矫正带宽；另一方面，在已知气动光学效应自适应矫正系统所具有的矫正带宽情况下，如何确定气动光学效应自适应矫正系统所能达到的技术指标。
也就是说，如何评估更高矫正带宽的气动光学效应自适应矫正系统，尚未有相关的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气动光学效应自适应矫正系统的评估方法，旨在解决现有技术中的评估方法无法评估更高矫正带宽的气动光学效应自适应矫正系统的技术问题。
本发明提供了一种气动光学效应自适应矫正系统的评估方法，其包括如下步骤：
步骤S10：获取流场密度脉动导致的光线偏角随时间变化的数据结果，其中，光线偏角随时间变化的数据结果的帧频在0.5MHz以上；
步骤S20：将光线偏角随时间变化的数据结果中的Ti时刻下的预设帧的光线偏角平均值表示为θTi，将θTi作为Ti+ΔTj时刻的预估值，Ti+ΔTj时刻的矫正残差βTi+ΔTj＝θTi+ΔTj-θTi，矫正频率fΔTj＝1/ΔTj，Ti+ΔTj时刻的矫正延迟时间为ΔTj，其中，θTi+ΔTj为Ti+ΔTj时刻的真实值，i为时间段T内的时刻序号，i∈1～n，n为最大时刻序号，j为矫正延迟时间的序号，j∈1～m，m为矫正延迟时间的最大序号；
步骤S30：利用坐标点
Figure BDA0002860078570000021
绘制平均矫正残差随矫正频率的变化曲线，其中，j从1～m遍历；
步骤S40：利用步骤S30中得到的平均矫正残差随矫正频率的变化曲线进行气动光学效应自适应矫正系统的评估。
可选地，在已知气动光学效应自适应矫正系统所要求的平均矫正残差的情况下，所述步骤S40包括如下步骤：
步骤S41：将气动光学效应自适应矫正系统所要求的平均矫正残差带入平均矫正残差随矫正频率的变化曲线中，评估得到气动光学效应自适应矫正系统所需要的矫正频率。
可选地，在已知气动光学效应自适应矫正系统所具有的矫正频率的情况下，所述步骤S40还包括如下步骤：
步骤S42：将气动光学效应自适应矫正系统所具有的矫正频率带入平均矫正残差随矫正频率的变化曲线中，评估得到气动光学效应自适应矫正系统所能够达到的平均矫正残差。
可选地，还包括步骤S50：
将矫正残差βTi+ΔTj分解为两个相互垂直方向上的分量
Figure BDA0002860078570000031
Figure BDA0002860078570000032
x表示第一方向，y表示第二方向，利用坐标点
Figure BDA0002860078570000033
绘制矫正频率1/ΔTj下的光线偏角的位置散点图，其中，i从1～n遍历；再将j从1～m遍历，得到各矫正频率下的光线偏角的位置散点图。
可选地，所述光线偏角的位置散点图的平均位置对应该矫正频率下的平均矫正残差，所述光线偏角的位置散点图的半径对应该矫正频率下的最大矫正残差偏差。
可选地，还包括步骤S60：
利用步骤S50中得到的各矫正频率下的光线偏角的位置散点图进行气动光学效应自适应矫正系统的评估。
可选地，在已知气动光学效应自适应矫正系统所要求的平均矫正残差、最大矫正残差偏差的情况下，所述步骤S60包括如下步骤：
步骤S61：根据气动光学效应自适应矫正系统所要求的平均矫正残差、最大矫正残差偏差，找到与气动光学效应自适应矫正系统所要求的平均矫正残差、最大矫正残差偏差对应的光线偏角的位置散点图，光线偏角的位置散点图的所对应的矫正频率作为气动光学效应自适应矫正系统所需要的矫正频率。
可选地，在已知气动光学效应自适应矫正系统所具有的矫正频率的情况下，所述步骤S60还包括如下步骤：
步骤S62：根据气动光学效应自适应矫正系统所具有的矫正频率，找出与气动光学效应自适应矫正系统所具有的矫正频率对应的光线偏角的位置散点图，评估得到气动光学效应自适应矫正系统所能够达到的平均矫正残差、最大矫正残差偏差。
可选地，所述步骤S10中：基于CFD方法，开展非定常流动数值仿真，并用光线追迹法获取流场密度脉动导致的光线偏角随时间变化的数据结果；或者，基于风洞试验方法，利用小孔径光束技术获取流场密度脉动导致的光线偏角随时间变化的数据结果。
可选地，所述预设帧为1帧或者10帧。
本发明相对于现有技术的技术效果是：
1.本发明中，依托于光线偏角随时间变化的数据来进行气动光学效应自适应矫正系统的评估，而光线偏角随时间变化的数据结果的帧频可在0.5MHz以上，因而，本发明相对于现有技术而言，可以评估更高矫正带宽的气动光学效应自适应矫正系统；
2.本发明中，给出了气动光学效应自适应矫正系统的评估方法的两种具体手段：平均矫正残差随矫正频率的变化曲线、各矫正频率下的光线偏角的位置散点图，实现了以下两种评估：在已知气动光学效应自适应矫正系统所需要的达到的技术指标的情况下，确定气动光学效应自适应矫正系统所需的矫正带宽；在已知气动光学效应自适应矫正系统所具有的矫正带宽的情况下，确定气动光学效应自适应矫正系统所能达到的技术指标；
3.本发明中，还给出了平均矫正残差随矫正频率的变化曲线、各矫正频率下的光线偏角的位置散点图的具体构建方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中的一种气动光学效应自适应矫正系统的评估方法示意图；
图2是本发明实施例中的平均矫正残差随矫正频率的变化曲线示意图；
图3是本发明实施例中的未矫正情况下的散点图；
图4是本发明实施例中的在95kHz矫正频率下且预设帧为1帧的散点图；
图5是本发明实施例中的在95kHz矫正频率下且预设帧为10帧的散点图。
具体实施方式
在下文中将参考附图对本发明的各方面进行更充分的描述。然而，本发明可以具体化成许多不同形式且不应解释为局限于贯穿本发明所呈现的任何特定结构或功能。相反地，提供这些方面将使得本发明周全且完整，并且本发明将给本领域技术人员充分地传达本发明的范围。基于本文所教导的内容，本领域的技术人员应意识到，无论是单独还是结合本发明的任何其它方面实现本文所公开的任何方面，本发明的范围旨在涵盖本文中所公开的任何方面。例如，可以使用本文所提出任意数量的装置或者执行方法来实现。另外，除了本文所提出本发明的多个方面之外，本发明的范围更旨在涵盖使用其它结构、功能或结构和功能来实现的装置或方法。应可理解，其可通过权利要求的一或多个元件具体化本文所公开的任何方面。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种气动光学效应自适应矫正系统的评估方法，其包括如下步骤：
步骤S10：获取流场密度脉动导致的光线偏角随时间变化的数据结果，其中，光线偏角随时间变化的数据结果的帧频在0.5MHz以上；
步骤S20：将光线偏角随时间变化的数据结果中的Ti时刻下的预设帧的光线偏角平均值表示为θTi，将θTi作为Ti+ΔTj时刻的预估值，Ti+ΔTj时刻的矫正残差βTi+ΔTj＝θTi+ΔTj-θTi，矫正频率fΔTj＝1/ΔTj，Ti+ΔTj时刻的矫正延迟时间为ΔTj，其中，θTi+ΔTj为Ti+ΔTj时刻的真实值，i为时间段T内的时刻序号，i∈1～n，n为最大时刻序号，j为矫正延迟时间的序号，j∈1～m，m为矫正延迟时间的最大序号；
步骤S30：利用坐标点
Figure BDA0002860078570000071
绘制平均矫正残差随矫正频率的变化曲线，其中，j从1～m遍历；
步骤S40：利用步骤S30中得到的平均矫正残差随矫正频率的变化曲线进行气动光学效应自适应矫正系统的评估。
关于平均矫正残差随矫正频率的变化曲线，如图2所示，其横坐标表示的是矫正频率，并取对数，纵坐标表示的是平均矫正残差；
其中，曲线1中的预设帧为1帧，曲线2中的预设帧为10帧；从图2可以看出，矫正频率1.06kHz是两条曲线的拐点，即在该矫正频率之后，随矫正频率的继续增加，平均矫正残差逐渐降低，因而，通过平均矫正残差随矫正频率的变化曲线，可以用于指导气动光学效应自适应矫正系统的研发。
另一方面，依托于光线偏角随时间变化的数据来进行气动光学效应自适应矫正系统的评估，而光线偏角随时间变化的数据结果的帧频可在0.5MHz以上，因而，本发明实施例相对于现有技术而言，可以评估更高矫正带宽的气动光学效应自适应矫正系统；另外，本发明实施例还给出了评估方法的具体手段之一：平均矫正残差随矫正频率的变化曲线。
可选地，在已知气动光学效应自适应矫正系统所要求的平均矫正残差的情况下，所述步骤S40包括如下步骤：
步骤S41：将气动光学效应自适应矫正系统所要求的平均矫正残差带入平均矫正残差随矫正频率的变化曲线中，评估得到气动光学效应自适应矫正系统所需要的矫正频率。
因此，本发明实施例可在已知气动光学效应自适应矫正系统所需要的达到的技术指标(即平均矫正残差)的情况下，确定气动光学效应自适应矫正系统所需的矫正带宽；
可选地，在已知气动光学效应自适应矫正系统所具有的矫正频率的情况下，所述步骤S40还包括如下步骤：
步骤S42：将气动光学效应自适应矫正系统所具有的矫正频率带入平均矫正残差随矫正频率的变化曲线中，评估得到气动光学效应自适应矫正系统所能够达到的平均矫正残差。
因此，本发明实施例可在已知气动光学效应自适应矫正系统所具有的矫正带宽的情况下，确定气动光学效应自适应矫正系统所能达到的技术指标(即平均矫正残差)。
可选地，继续参见图1，本发明实施例中的一种气动光学效应自适应矫正系统的评估方法，还包括步骤S50：
将矫正残差βTi+ΔTj分解为两个相互垂直方向上的分量
Figure BDA0002860078570000091
Figure BDA0002860078570000092
x表示第一方向，y表示第二方向，利用坐标点
Figure BDA0002860078570000093
绘制矫正频率1/ΔTj下的光线偏角的位置散点图，其中，i从1～n遍历；再将j从1～m遍历，得到各矫正频率下的光线偏角的位置散点图。
据此，本发明实施例给出了评估方法的具体手段之二：各矫正频率下的光线偏角的位置散点图。
可选地，所述光线偏角的位置散点图的平均位置对应该矫正频率下的平均矫正残差，所述光线偏角的位置散点图的半径对应该矫正频率下的最大矫正残差偏差。
关于光线偏角的位置散点图，可参见图3-5，其中，图3为未矫正情况下的散点图，图4为在95kHz矫正频率下且预设帧为1帧的散点图，图5为在95kHz矫正频率下且预设帧为10帧的散点图，图3-图5中，横坐标表示的是第一方向上的矫正残差的分量，纵坐标表示的是第二方向上的矫正残差的分量，C点是散点图的平均位置即平均矫正残差，R是以C为圆心的散点图的半径，R表示最大矫正残差偏差。
可选地，还包括步骤S60：
利用步骤S50中得到的各矫正频率下的光线偏角的位置散点图进行气动光学效应自适应矫正系统的评估。
可选地，在已知气动光学效应自适应矫正系统所要求的平均矫正残差、最大矫正残差偏差的情况下，所述步骤S60包括如下步骤：
步骤S61：根据气动光学效应自适应矫正系统所要求的平均矫正残差、最大矫正残差偏差，找到与气动光学效应自适应矫正系统所要求的平均矫正残差、最大矫正残差偏差对应的光线偏角的位置散点图，光线偏角的位置散点图的所对应的矫正频率作为气动光学效应自适应矫正系统所需要的矫正频率。
因此，本发明实施例可在已知气动光学效应自适应矫正系统所需要的达到的技术指标(即平均矫正残差、最大矫正残差偏差)的情况下，确定气动光学效应自适应矫正系统所需的矫正带宽；
可选地，在已知气动光学效应自适应矫正系统所具有的矫正频率的情况下，所述步骤S60还包括如下步骤：
步骤S62：根据气动光学效应自适应矫正系统所具有的矫正频率，找出与气动光学效应自适应矫正系统所具有的矫正频率对应的光线偏角的位置散点图，评估得到气动光学效应自适应矫正系统所能够达到的平均矫正残差、最大矫正残差偏差。
因此，本发明实施例可在已知气动光学效应自适应矫正系统所具有的矫正带宽的情况下，确定气动光学效应自适应矫正系统所能达到的技术指标(平均矫正残差、最大矫正残差偏差)。
可选地，所述步骤S10中：基于CFD方法，开展非定常流动数值仿真，并用光线追迹法获取流场密度脉动导致的光线偏角随时间变化的数据结果；或者，基于风洞试验方法，利用小孔径光束技术获取流场密度脉动导致的光线偏角随时间变化的数据结果。
可选地，所述预设帧为1帧或者10帧。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气动光学效应自适应矫正系统的评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S10：获取流场密度脉动导致的光线偏角随时间变化的数据结果，其中，光线偏角随时间变化的数据结果的帧频在0.5MHz以上；
步骤S20：将光线偏角随时间变化的数据结果中的Ti时刻下的预设帧的光线偏角平均值表示为θTi，将θTi作为Ti+ΔTj时刻的预估值，Ti+ΔTj时刻的矫正残差βTi+ΔTj＝θTi+ΔTj-θTi，矫正频率fΔTj＝1/ΔTj，Ti+ΔTj时刻的矫正延迟时间为ΔTj，其中，θTi+ΔTj为Ti+ΔTj时刻的真实值，i为时间段T内的时刻序号，i∈1～n，n为最大时刻序号，j为矫正延迟时间的序号，j∈1～m，m为矫正延迟时间的最大序号；
步骤S30：利用坐标点
Figure FDA0002860078560000011
绘制平均矫正残差随矫正频率的变化曲线，其中，j从1～m遍历；
步骤S40：利用步骤S30中得到的平均矫正残差随矫正频率的变化曲线进行气动光学效应自适应矫正系统的评估。
2.如权利要求1所述的一种气动光学效应自适应矫正系统的评估方法，其特征在于，在已知气动光学效应自适应矫正系统所要求的平均矫正残差的情况下，所述步骤S40包括如下步骤：
步骤S41：将气动光学效应自适应矫正系统所要求的平均矫正残差带入平均矫正残差随矫正频率的变化曲线中，评估得到气动光学效应自适应矫正系统所需要的矫正频率。
3.如权利要求2所述的一种气动光学效应自适应矫正系统的评估方法，其特征在于，在已知气动光学效应自适应矫正系统所具有的矫正频率的情况下，所述步骤S40还包括如下步骤：
步骤S42：将气动光学效应自适应矫正系统所具有的矫正频率带入平均矫正残差随矫正频率的变化曲线中，评估得到气动光学效应自适应矫正系统所能够达到的平均矫正残差。
4.如权利要求1所述的一种气动光学效应自适应矫正系统的评估方法，其特征在于，还包括步骤S50：
将矫正残差βTi+ΔTj分解为两个相互垂直方向上的分量
Figure FDA0002860078560000021
Figure FDA0002860078560000022
x表示第一方向，y表示第二方向，利用坐标点
Figure FDA0002860078560000023
绘制矫正频率1/ΔTj下的光线偏角的位置散点图，其中，i从1～n遍历；再将j从1～m遍历，得到各矫正频率下的光线偏角的位置散点图。
5.如权利要求4所述的一种气动光学效应自适应矫正系统的评估方法，其特征在于，所述光线偏角的位置散点图的平均位置对应该矫正频率下的平均矫正残差，所述光线偏角的位置散点图的半径对应该矫正频率下最大矫正残差偏差。
6.如权利要求5所述的一种气动光学效应自适应矫正系统的评估方法，其特征在于，还包括步骤S60：
利用步骤S50中得到的各矫正频率下的光线偏角的位置散点图进行气动光学效应自适应矫正系统的评估。
7.如权利要求6所述的一种气动光学效应自适应矫正系统的评估方法，其特征在于，在已知气动光学效应自适应矫正系统所要求的平均矫正残差、最大矫正残差偏差情况下，所述步骤S60包括如下步骤：
步骤S61：根据气动光学效应自适应矫正系统所要求的平均矫正残差、最大矫正残差偏差，找到与气动光学效应自适应矫正系统所要求的平均矫正残差、最大矫正残差偏差对应的光线偏角的位置散点图，光线偏角的位置散点图的所对应的矫正频率作为气动光学效应自适应矫正系统所需要的矫正频率。
8.如权利要求7所述的一种气动光学效应自适应矫正系统的评估方法，其特征在于，在已知气动光学效应自适应矫正系统所具有的矫正频率的情况下，所述步骤S60还包括如下步骤：
步骤S62：根据气动光学效应自适应矫正系统所具有的矫正频率，找出与气动光学效应自适应矫正系统所具有的矫正频率对应的光线偏角的位置散点图，评估得到气动光学效应自适应矫正系统所能够达到的平均矫正残差、最大矫正残差偏差。
9.如权利要求1-8之一所述的一种气动光学效应自适应矫正系统的评估方法，其特征在于，所述步骤S10中：基于CFD方法，开展非定常流动数值仿真，并用光线追迹法获取流场密度脉动导致的光线偏角随时间变化的数据结果；或者，基于风洞试验方法，利用小孔径光束技术获取流场密度脉动导致的光线偏角随时间变化的数据结果。
10.如权利要求9所述的一种气动光学效应自适应矫正系统的评估方法，其特征在于，所述预设帧为1帧或者10帧。
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