原创《气动光学效应仿真系统设计和实现》：本论文可用于系统设计论文范文参考下载，系统设计相关论文写作参考研究。
摘 要：针对高超声速飞行器气动光学效应及其校正研究的技术需求,设计开发了一套气动光学效应仿真系统,用于对气动光学效应进行全过程仿真.系统基于“模块化”、“可扩展”和“可视化”的设计思路,采用“仿真平台+数据库+功能插件”的系统实现方案,在VisualStudio2008开发环境下,完成了气动光学效应仿真系统平台、数据库及相关功能插件的开发工作.系统支持用户根据自身需求自主编制仿真任务,并可在接口规范的约束下,自主写作功能模块对系统进行扩展.本系统可以为解决高超声速飞行器气动光学效应及其校正方法的理论研究和工程应用问题提供理论依据和技术手段.
关键词：气动光学;仿真软件;任务编制;模块化;可扩展性
中图分类号：TP311.5 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）05-0041-05
0 引 言
高超声速飞行器是当今世界各国的研究热点之一.当飞行器在大气层中高速飞行时,会产生剧烈的气动光学效应,严重影响光学成像过程,是高超声速飞行器光学成像探测必须解决的瓶颈问题.
到目前为止,国内外很多研究机构已对气动光学效应机理及其校正方法开展了大量的研究工作,也报道了一些研究成果.这些研究包括气动光学效应机理[1]、测试试验[2-3]、数值模拟[4-5]和退化图像校正[6-7]等方面.
在此基础上,以美国为代表的西方国家对气动光学效应的研究,己开始向工程应用方向发展.如美国TeledyneBrownEngineering公司[8]、HIPEC
评估中心以及Lockheed公司等研究机构分别研制了AOQCode、DNAOS[9]等气动光学效应仿真软件,用于对高超声速飞行器的气动光学效应进行仿真分析和探测性能预测,并已经在相关型号的武器研制中发挥了重要作用.
国内对气动光学效应也开展了相关的研究工作,在气动光传输[10]、气动热辐射[11]、气动加热[12]、退化质量评估[13]等方面取得了一定的研究进展.但是到目前为止,还没有出现实用化的、能够对气动光学效应全过程进行完整仿真和分析的系统平台.在实际的工程应用中,用户难以真正系统、全面地考虑气动光学效应对成像探测带来的影响问题.
本文在当前理论研究的基础上,设计并开发了一套气动光学仿真系统.该系统能够对高超声速绕流、流场和头罩气动热耦合、流场和光学头罩的气动光传输、流场和光学头罩的气动热辐射、光学探测系统成像等进行全过程数值模拟和仿真分析,并能够对气动光学效应引起的像质退化进行评估和分析,能够为气动光学效应仿真理论研究和工程应用提供完整的解决方案.
1 系统总体设计方案
对气动光学效应的研究结果表明,气动光学效应主要包括：高超声速绕流引起的流场光传输效应、流场高温气体分子的热辐射效应、光学头罩温度的升高和应力应变引起的头罩光传输效应、光学头罩热辐射效应等[14].因此,气动光学效应仿真的研究内容可划分为六部分,如图1所示.
这六部分涵盖了气动光学效应影响的全过程.通过仿真,可以得到气动光学效应给红外图像所带来的“抖动”、“模糊”、以及强烈的“热背景干扰”等影响,并以相关指标对上述影响进行定量的分析.
针对上述需求,图2给出了系统的总体设计方案.
气动光学仿真系统被划分为“仿真参数”,“仿真计算”,“数据库”三部分.
“数据库”部分负责仿真系统的数据存储和管理,其存储了仿真过程所需的全部参数,计算模块的配置信息,系统平台的配置信息以及仿真过程中所生成的中间结果.
“仿真参数”部分为用户提供了配置参数的接口,用户可以通过该部分的模块完成特定参数的选择、修改、添加以及删除.用户所进行的所有设定都会同步至数据库进行保存.仿真参数主要包括如下内容：
（1）目标图像：用于仿真的原始图像,最后会将气动光学效应作用在此图像上,进而得到退化结果.
（2）头罩材料参数：飞行器光学头罩材料相关参数,如比热容、折射率等.
（3）飞行弹道参数：描述飞行器飞行的轨迹.
（4）大气物理模型：提供数值模拟时所采用的大气模型,根据相关模型计算大气的温度、压强等参数.
（5）头罩结构参数：头罩结构的约束参数,通过这些参数可以完成头罩几何结构的建模.
“仿真计算”部分负责完成气动光学仿真系统的仿真计算任务,采用基于模块化的思想进行设计,主要包括以下模块：
（1）网格建模：根据具体的头罩结构参数以及网格建模要求,实现对仿真对象的自动网格建模,并将建模结果数据保存在相应文件中.
（2）流固耦合数值模拟：以“头罩材料参数”、“飞行弹道参数”、“大气物理模型”和网格建模结果为输入参数,完成流场CFD数值模拟和流场-头罩气动热耦合分析,模拟飞行时头罩本身以及周围流场的温度、压力、密度等状态量的分布并保
（3）流场光线追迹：根据流场密度的数值模拟仿真结果,计算流场密度和折射率分布,并对光线在流场中的传输过程进行仿真计算,获得流场出射光线的波前畸变,完成对流场光传输效应分析.
（4）流场热辐射计算：根据流场的数值模拟结果、大气物理模型以及气体分子光谱辐射的相关理论,对高温绕流场中的气体辐射进行仿真计算,获得流场的热辐射分布及辐射出射,完成对流场热辐射效应分析.
（5）头罩结构及折射率变化分析：根据流固耦合数值模拟的结果,导出头罩的温度分布数据,求出头罩内部的应力应变分布数据.
（6）头罩光线追迹：首先根据头罩温度和应力应变的数值模拟结果,计算头罩折射率分布数据,然后计算由于头罩折射率分布不均匀带来的光波前畸变,完成对头罩光传输效应的分析.
（7）头罩热辐射计算：根据头罩温度和应力应变的数值模拟结果,对被严重加热头罩的热辐射情况进行计算,通过求解辐射传输方程获得头罩内表面的热辐射出射分布,完成对头罩热辐射效应的分析.
系统设计论文参考资料：
结论：气动光学效应仿真系统设计和实现为关于系统设计方面的的相关大学硕士和相关本科毕业论文以及相关系统界面设计论文开题报告范文和职称论文写作参考文献资料下载。
