一种模拟气动光学效应的方法和系统技术方案

一种模拟气动光学效应的方法，所述方法包括：利用有限元分析方法对光学窗口进行热和结构分析得到有限元分析结果，根据有限元分析结果计算多帧波前误差；将当前帧波前误差拟合为Zernike多项式系数向量q；根据q计算变形镜各个致动器的控制电压向量和倾斜镜各个致动器的控制电压向量；变形镜的致动器根据变形镜的控制电压进行调整，倾斜镜的致动器根据倾斜镜的控制电压进行调整，然后采集并保存成像探测器上的畸变图像，再次根据当前帧的波前误差拟合q。本发明专利技术还公开了一种模拟气动光学效应的系统。应用本发明专利技术实施例后，能够获得气动光学效应影响下的动态畸变图像数据，为气动光学效应的校正研究提供实验条件。

【技术实现步骤摘要】

本申请涉及光学
，更具体地，涉及一种模拟气动光学效应的方法和系统。
技术介绍
带有光学成像探测制导系统的飞行器在大气层内高速飞行时，光学窗口与来流之间形成复杂的流场，对光学成像探测系统造成热辐射和图像传输干扰，引起目标图像的偏移，抖动和模糊，这种效应称为气动光学效应。气动光学效应给制导系统带来不利影响，降低导引头对目标的探测、跟踪和识别能力，影响末制导精度。在研究如何克服气动光学效应对制导系统成像探测的影响时，首先需要通过模拟气动光学效应，获得畸变图像数据，然后再用图像复原或其他校正方法改善图像质量。现有技术中利用计算机仿真，即通过计算机建立气动光学效应的数学模型以及光学系统模型，进而获得气动光学效应影响下的畸变图像。由于计算机仿真没有包含实际光学系统和成像探测器，无法得到实际成像探测器的畸变图像数据，不利于后续的畸变图像复原研究。而且，气动光学效应引起的波前误差变化频率较快，计算机仿真难以获得动态波前误差影响下的连续的畸变图像。
技术实现思路
本专利技术实施例提出一种模拟气动光学效应的方法，从而获得气动光学效应影响下的畸变图像数据。本专利技术实施例还提出一种模拟气动光学效应的系统，从而获得气动光学效应影响下的畸变图像数据。·本专利技术实施例的技术方案如下:—种模拟气动光学效应的方法，所述方法包括:利用有限元分析方法对光学窗口进行热学和力学分析得到有限元分析结果，根据有限元分析结果计算多帧波前误差；将当前帧波前误差拟合为泽尼克Zernike多项式系数向量q ；根据q计算变形镜各个致动器的控制电压向量和倾斜镜各个致动器的控制电压向量;变形镜的致动器根据变形镜的控制电压进行调整以产生波前误差中的高阶像差，倾斜镜的致动器根据倾斜镜的控制电压进行调整以产生波前误差中的波前倾斜，然后采集并保存成像探测器上的畸变图像，再次根据当前帧的波前误差拟合q。所述将当前帧波前误差拟合为Zernike多项式系数向量q包括:根据Zernike多项式的广义逆矩阵与当前帧波前误差的乘积确定q。所述根据Zernike多项式的广义逆矩阵与当前帧波前误差的乘积确定q包括:采用奇异值分解法、正则方程法或豪斯霍尔德Householder变换法,根据Zernike多项式的广义逆矩阵与当前帧波前误差的乘积确定q。所述根据q计算变形镜各个致动器的控制电压向量和倾斜镜各个致动器的控制电压向量包括:采用奇异值分解法、正则方程法或Householder变换法，根据q计算变形镜各个致动器的控制电压向量和倾斜镜各个致动器的控制电压向量。一种模拟气动光学效应的系统，所述系统包括:光源、第一透镜、变形镜、第二透镜、第三透镜、倾斜镜、第四透镜和成像探测器；光源发出的光通过第一透镜准直后入射到变形镜，变形镜产生波前误差中的高阶像差;从变形镜出射光依次通过第二透镜和第三透镜，入射到倾斜镜，倾斜镜产生波前误差中的波前倾斜；倾斜镜的出射光经第四透镜成像到成像探测器中。所述系统进一步包括第一反射镜和第二反射镜，变形镜的出射光经由第一反射镜反射，依次通过第二透镜和第三透镜，经由第二反射镜反射入射到倾斜镜。所述光源位于第一透镜的前焦点上；所述变形镜的中心位于第一透镜的后焦点；变形镜位于第二透镜的前焦面；倾斜镜位于第三透镜的后焦面；成像探测器位于第四透镜的后焦面上。所述变形镜为压电变形镜、微机械薄膜变形镜中的任意一种。所述倾斜镜为压电倾斜镜。从上述技术方案中可以看出，在本专利技术实施例中利用有限元分析方法对光学窗口进行热学和力学分析得到有限元分析结果，根据有限元分析结果计算在时间段内的多帧波前误差；将当前帧波前误差拟合为Zernike多项式系数向量q ;根据q计算变形镜各个致动器的控制电压向量和倾斜镜各个致动器的控制电压向量；变形镜的致动器根据变形镜的控制电压进行调整，倾斜镜的致动器根据倾斜镜的控制电压进行调整，然后采集并保存成像探测器上的畸变图像，再次根据当前帧的波前误差拟合q。根据多帧波前误差调整变形镜和倾斜镜，在成像探测器上就能够获得气动光学效应影响下的畸变图像数据。附图说明图1为模拟气动光学效应的方法流程示意图；图2为模拟气动光学效应的系统结构示意图。具体实施例方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本专利技术再作进一步详细的说明。在本专利技术实施例中，通过有限元分析获得由于热光学效应、光学窗口变形和弹光效应引起的多帧波前误差数据，经由变形镜和倾斜镜实现对气动光学效应的模拟，进而获得气动光学效应影响下的畸变图像数据。参见附图1是模拟气动光学效应的方法流程示意图，具体包括以下的步骤:101、利用有限元方法对光学窗口进行热学和力学分析，根据有限元分析结果计算出由于热光学效应、光学窗口变形和弹光效应引起的多巾贞波前误差。建立高速飞行器光学窗口在气动热环境下有限元分析模型。分析高速飞行器光学窗口在气动热环境下的物理特性和光学特性，对该光学窗口在气动热环境下的温度场、应力场、应变场和位移场进行数值计算。根据有限元分析的结果，可以得到气动热环境下光学窗口引起的波前畸变。气动热环境随时间变化，对不同的时间采样点进行有限元分析可以得到随时间变化的多帧波前误差。上述过程是现有技术，不再详述。102、将当前帧波前误差数据拟合为Zernike多项式系数向量。以Zernike多项式作为基底函数系对波前误差进行拟合有以下优点:(I) Zernike多项式拟合波前误差的精度高。(2)光学系统一般具有圆形光瞳,归一化后为单位圆,而Zernike多项式在单位圆上正交，这就避免了拟合系数 之间的耦合造成其物理意义的混淆不清。第一次拟合时当前帧为第一帧波前误差数据。当根据第一帧波前误差数据拟合得到q并在成像探测器上得到畸变图像后，此时当前帧为第二帧，再次通过步骤102-104拟合得到q并在成像探测器上得到畸变图像，以此类推直到最后一帧或人工停止此循环过程。{Φ (xm, ym)}是以离散形式表示的波前误差,其中m = 1，...，M, M为离散点个数，(xm, ym)为离散点的坐标。{qj为Zernike系数向量,其中i=l,...N, N为拟合的Zernike多项式阶数。矩阵{Zn(xm，ym)}表示第η阶Zernike多项式在所有采样点处的值。则有权利要求1.一种模拟气动光学效应的方法，其特征在于，所述方法包括: 利用有限元分析方法对光学窗口进行热学和力学分析得到有限元分析结果，根据有限元分析结果计算多帧波前误差； 将当前帧波前误差拟合为泽尼克Zernike多项式系数向量q ； 根据q计算变形镜各个致动器的控制电压向量和倾斜镜各个致动器的控制电压向量； 变形镜的致动器根据变形镜的控制电压进行调整以产生波前误差中的高阶像差，倾斜镜的致动器根据倾斜镜的控制电压进行调整以产生波前误差中的波前倾斜，然后采集并保存成像探测器上的畸变图像，再次根据当前帧的波前误差拟合q。2.根据权利要求1所述模拟气动光学效应的方法，其特征在于，所述将当前帧波前误差拟合为Zernike多项式系数向量q包括:根据Zernike多项式的广义逆矩阵与当前帧波前误差的乘积确定q。3.根据权利要求1所述模拟气动光学效应的方法，其特征在于，所述根据Zernike多项式的广义逆矩阵与当前帧波前误差的乘本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟气动光学效应的方法，其特征在于，所述方法包括：利用有限元分析方法对光学窗口进行热学和力学分析得到有限元分析结果，根据有限元分析结果计算多帧波前误差；将当前帧波前误差拟合为泽尼克Zernike多项式系数向量q；根据q计算变形镜各个致动器的控制电压向量和倾斜镜各个致动器的控制电压向量；变形镜的致动器根据变形镜的控制电压进行调整以产生波前误差中的高阶像差，倾斜镜的致动器根据倾斜镜的控制电压进行调整以产生波前误差中的波前倾斜，然后采集并保存成像探测器上的畸变图像，再次根据当前帧的波前误差拟合q。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：董冰，胡新奇，宋杰，赵宏鸣，杜惠杰，虞红，
申请(专利权)人：北京理工大学，北京仿真中心，
类型：发明
国别省市：