留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

防护罩气动热效应对玫瑰扫描系统的影响仿真分析

吕银环

吕银环. 防护罩气动热效应对玫瑰扫描系统的影响仿真分析[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(7): 20190520. doi: 10.3788/IRLA20190520
引用本文: 吕银环. 防护罩气动热效应对玫瑰扫描系统的影响仿真分析[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(7): 20190520. doi: 10.3788/IRLA20190520
Lv Yinhuan. Simulation analysis of influence of aerodynamic heating effect of dome window on rosette scan system[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(7): 20190520. doi: 10.3788/IRLA20190520
Citation: Lv Yinhuan. Simulation analysis of influence of aerodynamic heating effect of dome window on rosette scan system[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(7): 20190520. doi: 10.3788/IRLA20190520

防护罩气动热效应对玫瑰扫描系统的影响仿真分析

doi: 10.3788/IRLA20190520
基金项目: 国家重点研发计划(2017YFA0303900)
详细信息
    作者简介:

    吕银环(1974-),女,副研究员,博士,主要从事光学系统设计方面的研究工作。 Email:lyh@mail.sitp.ac.cn

  • 中图分类号: TN216

Simulation analysis of influence of aerodynamic heating effect of dome window on rosette scan system

  • 摘要: 针对高速飞行器气动加热效应对高速飞行器光学性能的影响,建立了防护罩热辐射模型。在此基础上,编写了仿真控制程序,利用TracePro软件,实现了光学自动追迹,动态模拟了防护罩热效应在整个光学系统扫描过程中产生的影响,以及在各光学运动部件单独扫描时的影响。通过对热效应引起的杂散光在玫瑰扫描过程中的传输路径分析,提出了建议改进措施,为高速飞行器光学性能分析及其环境失效研究提供了参考。
  • 图  1  玫瑰扫描光学系统图

    Figure  1.  Rosette scanning optical system

    图  2  温度随时间的分布

    Figure  2.  Temperature variation with time

    图  3  仿真流程图

    Figure  3.  Simulation flow chart

    图  4  防护罩温度为293 K,探测器接收的辐射能量

    Figure  4.  Sensor received energy( Temperature of guard is 293 K)

    图  5  杂散光的传播路径局部放大图

    Figure  5.  Partial enlargement of the propagation path of stray lights

    图  6  修改滤光片后,探测器接收到的辐射能量

    Figure  6.  Sensor received energy after revising filter

    图  7  防护罩表面的温度环带

    Figure  7.  Temperature belts of the dome

    图  8  环带温度梯度分布,探测器接收的辐射能量

    Figure  8.  Radiation energy received by sensor when dome temperature is distributed gradiently

    图  9  头罩500 K,次镜旋转,斜镜固定不动,传感器表面入射光通量

    Figure  9.  Dome 500 K, the incident light flux on the sensor surface when secondary mirror rotates and the tilted lens is fixed

    图  10  头罩500 K,斜镜旋转,次镜固定不动,传感器表面入射光通量

    Figure  10.  Dome 500 K, the incident light flux on the sensor surface when tilted lens rotates and the secondary mirror is fixed

    表  1  防护罩表面15个环带温度设定值

    Table  1.   Temperature setting of 15 belts of dome

    ItemValue
    Belt12345
    T/K400405410415418
    Belt678910
    T/K420425430435430
    Belt1112131415
    T/K425420415410405
    下载: 导出CSV
  • [1] Anderson Jr John D. Hypersonic and High-temperature Gas Dynamics[M]. 2nd ed. Virginia: AIAA Publications, 2006: 85-99.
    [2] Ognjanović Ognjen V, Maksimović Stevan M, Vidanović Nenad D, et al. Numerical aerodynamic-thermal-structural analyses of missile fin configuration during supersonic flight conditions [J]. Thermal Science, 2017, 21(6B): 3037−3049.
    [3] Firouz-Abadi R D, Alavi S M, Salarieh H, et al. Analysis of non-linear aeroelastic response of a supersonic thick fin with plunging, pinching and flapping free-plays [J]. Fluids and Structures, 2013(40): 163−184.
    [4] Junqueira Mateus A F C, Gabrielli Lucas H, Beltrán-Mejía Felipe, et al. Three-dimensional quasi-conformal transformation optics through numerical optimization [J]. Optics Express, 2016, 24(15): 16465−16470. doi:  10.1364/OE.24.016465
    [5] 李文通, 丁雯, 朱牧. 复杂背景下玫瑰扫描红外探测系统作用距离评估方法[J]. 红外与激光工程, 2017, 46(10): 1004002. doi:  10.3788/IRLA201746.1004002

    Li Wentong, Ding Wen, Zhu Mu. Method for estimating operating distance of Rosette scan infrared detection system under complex background [J]. Infrared and Laser Engineering, 2017, 46(10): 1004002. (in Chinese) doi:  10.3788/IRLA201746.1004002
    [6] Arnas A, Boettner D, Tamm G, et al. On the analysis of the aerodynamic heating problem [J]. Heat Transfer, 2010, 132(12): 124501. doi:  10.1115/1.4001754
    [7] Huang Haiming, Xu Jing, Xie Weihua, et al. Numerical study on aerodynamic heat of hypersonic flight [J]. Thermal Science, 2016, 20(3): 939−944. doi:  10.2298/TSCI1603939H
    [8] Başkut E, Akgül A. Development of a coupling crocedure for static aeroelastic analyses [J]. Scientific Technical Review, 2011, 61(3-4): 39−48.
    [9] 曹春芹, 向静波, 张晓阳, 等. 红外成像导弹气动加热仿真建模方法[J]. 红外与激光工程, 2013, 42(8): 1951−1955. doi:  10.3969/j.issn.1007-2276.2013.08.001

    Cao Chunqin, Xiang Jingbo, Zhang Xiaoyang, et al. Infrared imaging missile's aerodynamic heating simulation modeling methods [J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(8): 1951−1955. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1007-2276.2013.08.001
    [10] 王亚辉, 王强, 张伯川, 等. 红外窗口气动热辐射效应评估方法[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(2): 0204001. doi:  10.3788/irla201645.0204001

    Wang Yahui, Wang Qiang, Zhang Bochuan, et al. Evaluation method for aero-thermo-radiation effect of IR window [J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(2): 0204001. (in Chinese) doi:  10.3788/irla201645.0204001
    [11] 范达, 明星, 刘昕悦, 等. 高空高速环境热光学分析及光学窗口设计[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(8): 0818001. doi:  10.3788/IRLA201645.0818001

    Fan Da, Ming Xing, Liu Xinyue, et al. Thermal optical analysis and design of optical window in highaltitude and high-speed environment [J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(8): 0818001. (in Chinese) doi:  10.3788/IRLA201645.0818001
    [12] 张发强, 张维光, 万文博. 基于光线追迹的红外探测光学系统杂散辐射研究[J]. 红外与激光工程, 2019, 48(9): 0904006. doi:  10.3788/IRLA201948.0904006

    Zhang Faqiang, Zhang Weiguang, Wan Wenbo. Research on stray radiation of infrared detection optical system based on ray-tracing [J]. Infrared and Laser Engineering, 2019, 48(9): 0904006. (in Chinese) doi:  10.3788/IRLA201948.0904006
    [13] 张希彬. 高超声速飞行器建模、分析与验证研究[D]. 天津: 天津大学, 2014: 28-36.

    Zhang Xibin. Study on modeling, analysis and validation for hypersonic vehicle[D]. Tianjin: Tianjin University, 2014: 28-36. (in Chinese)
    [14] 高希磊. 整流罩气动加热对成像影响建模与仿真[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2013: 50-85.

    Gao Xilei. Modeling and simulation of influence of aerodynamic heating of dome on the imaging system[D]. Xi’an: Xidian University, 2013: 50-85. (in Chinese)
    [15] Xerikos J, Rose W C, Rawlinson, et al. Measurement of mean and fluctuating flow properties in hypersonic shear layers[R]. Virginia: AIAA, 1990: 90-1409.
    [16] Liu Yuanchun, He Yurong, Zhu Jiaqi, et al. Numerical simulation of aerodynamic heating and stresses of chemical vapor deposition ZnS for hypersonic vehicles [J]. Journal of Zhejiang University Science A (Appl Phys & Eng), 2014, 15(3): 185−196.
  • [1] 张丽琴, 费锦东.  高速飞行器成像探测气动光学效应研究(特约) . 红外与激光工程, 2020, 49(6): 20201016-1-20201016-5. doi: 10.3788/IRLA20201016
    [2] 余骁, 闵敏, 张兴赢, 孟晓阳, 邓小波.  典型滤波器对星载高光谱分辨率激光雷达532 nm通道回波信号的影响 . 红外与激光工程, 2018, 47(12): 1230008-1230008(10). doi: 10.3788/IRLA201847.1230008
    [3] 张海岩, 李振, 赵晨, 王学锋.  封装对超细型DFB光纤激光水听器性能的影响(特邀) . 红外与激光工程, 2018, 47(9): 903002-0903002(7). doi: 10.3788/IRLA201847.0903002
    [4] 吴俊政, 严卫东, 倪维平, 张晗.  圆周阵列太赫兹干涉成像仿真 . 红外与激光工程, 2017, 46(8): 825002-0825002(8). doi: 10.3788/IRLA201746.0825002
    [5] 卢新然, 宋路, 万秋华.  红外光源参数对光电编码器信号的影响 . 红外与激光工程, 2017, 46(9): 917007-0917007(6). doi: 10.3788/IRLA201746.0917007
    [6] 李文通, 丁雯, 朱牧.  复杂背景下玫瑰扫描红外探测系统作用距离评估方法 . 红外与激光工程, 2017, 46(10): 1004002-1004002(7). doi: 10.3788/IRLA201781.1004002
    [7] 王炜强, 贾晓洪, 韩宇萌, 张晓阳, 付奎生.  定向干扰激光的红外成像建模与仿真 . 红外与激光工程, 2016, 45(6): 606005-0606005(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0606005
    [8] 吴伟彬, 戴一帆, 关朝亮, 范占斌, 钟曜宇.  横向压电效应变形镜优化设计 . 红外与激光工程, 2016, 45(8): 818003-0818003(7). doi: 10.3788/IRLA201645.0818003
    [9] 王成龙, 马军, 范多旺, 鲁小兵.  用于线性菲涅尔式聚光系统的CPC 仿真研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(2): 556-560.
    [10] 王良训, 周辉, 李子乐, 刘国根, 王虹, 王雅培.  面向星载激光测高仪的陆地目标响应函数仿真 . 红外与激光工程, 2015, 44(11): 3424-3430.
    [11] 张明军, 高文英, 牛泉云, 袁兴起.  聚光光伏系统菲涅耳聚光器性能分析与仿真 . 红外与激光工程, 2015, 44(8): 2411-2416.
    [12] 田晶, 陈航, 涂世杰.  微小气泡远场散射模型的仿真与分析 . 红外与激光工程, 2014, 43(8): 2442-2446.
    [13] 廖志波, 焦文春, 伏瑞敏.  光学表面中高频误差的仿真分析 . 红外与激光工程, 2014, 43(6): 1905-1908.
    [14] 童奇, 王超哲, 童中翔, 李建勋, 贾林通, 柴世杰.  红外干扰机对四元正交探测器的干扰效能 . 红外与激光工程, 2014, 43(8): 2496-2504.
    [15] 范丹, 陈淑芬, 高远, 付雷, 邹正峰, 孟彦斌.  基于色散控制的全光纤掺镱被动锁模激光器的设计与仿真 . 红外与激光工程, 2014, 43(8): 2399-2403.
    [16] 李运达, 李琦, 刘正君, 王骐.  太赫兹计算机辅助层析图像重构算法仿真研究 . 红外与激光工程, 2013, 42(5): 1228-1235.
    [17] 张文攀, 刘艳芳, 殷瑞光, 赵宏鹏, 汪亚.  对激光精确制导武器干扰效果仿真评估标准初探 . 红外与激光工程, 2013, 42(4): 900-903.
    [18] 成志铎, 李明博, 李健, 常晓权, 刘君.  目标与背景的红外辐射特性仿真方法 . 红外与激光工程, 2013, 42(9): 2336-2340.
    [19] 刘朝山, 刘光斌, 杨波, 周浩.  弹载星敏感器像移模型及其仿真分析 . 红外与激光工程, 2013, 42(5): 1311-1315.
    [20] 曹春芹, 向静波, 张晓阳, 王炜强.  红外成像导弹气动加热仿真建模方法 . 红外与激光工程, 2013, 42(8): 1951-1955.
  • 加载中
图(10) / 表(1)
计量
  • 文章访问数:  533
  • HTML全文浏览量:  438
  • PDF下载量:  19
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-18
  • 修回日期:  2019-11-15
  • 网络出版日期:  2020-04-30
  • 刊出日期:  2020-07-25

防护罩气动热效应对玫瑰扫描系统的影响仿真分析

doi: 10.3788/IRLA20190520
    作者简介:

    吕银环(1974-),女,副研究员,博士,主要从事光学系统设计方面的研究工作。 Email:lyh@mail.sitp.ac.cn

基金项目:  国家重点研发计划(2017YFA0303900)
  • 中图分类号: TN216

摘要: 针对高速飞行器气动加热效应对高速飞行器光学性能的影响,建立了防护罩热辐射模型。在此基础上,编写了仿真控制程序,利用TracePro软件,实现了光学自动追迹,动态模拟了防护罩热效应在整个光学系统扫描过程中产生的影响,以及在各光学运动部件单独扫描时的影响。通过对热效应引起的杂散光在玫瑰扫描过程中的传输路径分析,提出了建议改进措施,为高速飞行器光学性能分析及其环境失效研究提供了参考。

English Abstract

    • 目前,采用球型防护罩的高速飞行器比较普遍,罩内红外探测系统,多采用玫瑰扫描结构以便在整个视场范围内清晰成像。当高速飞行器在大气层中高速飞行时,剧烈的气动加热效应使得防护罩的温度迅速上升[1-3],产生的热辐射通过玫瑰扫描运动的周期性调制,不仅降低光学探测能力,还可能会导致系统误判,影响到高速飞行器对目标的捕获与跟踪[4-5]。国内外研究者均对高超音速飞行器的气动热效应开展了大量的研究工作[6-8],旨在寻找气动热效应校正与抑制方法[9-10],但对于实际工程应用中普遍存在的头罩热辐射与高速飞行器的光学系统之间的相互作用过程的研究相对较少[11]

      为了分析防护罩自身热辐射对红外高速飞行器造成的干扰,建立了防护罩和玫瑰扫描系统的仿真模型,编写了Python仿真控制程序。程序按照高速飞行器飞行速度计算防护罩的温度分布,然后调用TracePro软件,模拟防护罩热辐射对光学系统的影响。程序按照光学系统玫瑰扫描的运动方式,以一微小的扫描转角作为步长,逐步对防护罩辐射的杂散光进行光线追迹,直至仿真结束。为了找出杂散光的影响规律,仿真对多周期扫描仿真数据进行了采集,最后通过数据处理,获得防护罩杂散光干扰信号与玫瑰扫描角度之间的关系曲线,在此基础上,进一步模拟了严重影响光学性能的杂散光的传播路径。通过以上方法,完成了防护罩温度分布对红外飞行光学系统在动态玫瑰扫描运动过程造成的影响。

    • 高速飞行器红外探测系统利用次反射镜和偏心透镜的反向旋转运动实现对整个视场范围内的光学扫描,在红外焦平面上的像斑,随着扫描的运动而形成玫瑰状的轨迹。像斑通过红外探测器转换成电脉冲信号,飞行控制系统对电脉冲信号进行解算、跟踪和滤波处理,形成正比于视线角速度的飞行信号,用于对高速飞行器的飞行控制。

    • 在高速飞行的精确制导武器中,普遍采用红外玫瑰扫描探测系统实现对目标的自主捕获、识别与跟踪。飞机、导弹、战车等典型目标在3~5 μm波段有较强的红外线辐射,因而,通常采用制冷型处于大气窗口的3~5 μm波段锑化铟元件作为点源探测器。该探测器可以避开阳光、火焰等干扰热辐射波段,提高灵敏度和抗干扰能力。为了分析防护罩气动热效应对玫瑰扫描系统的影响,建立了玫瑰扫描光学系统模型。玫瑰扫描光学系统主要由防护罩、主反射镜、次反射镜、偏心镜、滤光片和探测器组成,其中主反射镜和一同旋转的次反射镜构成卡塞格伦系统,利用次镜与偏心镜相对主光轴偏转一定角度的旋转来实现光学系统对物空间的玫瑰扫描,实现小瞬时视场对物方较大视场范围内的扫描。ZEMAX设计光路及Solidworks三维模型如图1所示。

      图  1  玫瑰扫描光学系统图

      Figure 1.  Rosette scanning optical system

      无穷远处目标发出的光线,通过防护罩到达主反射镜,经主镜反射后到达次镜,次镜相对于光轴(Z轴)倾斜(倾角用θ表示),造成次镜的反射光线偏离光轴,偏轴的反射光经过倾斜的偏心镜(倾角用ψ表示)后,再次改变其传播方向,两次光线偏转的矢量合成决定了光学焦点在焦平面上的落点位置。当同时旋转次镜(频率为${f_1}$)及偏心镜(频率为${f_2}$)时,光点在像平面上的运动轨迹可用公式(1)表示:

      $$\left\{ \begin{aligned} & x(t) = (\rho /2)[\cos(2{\text{π}}{f_1}t) + \cos(2{\text{π}}{f_2}t)] \\ & y(t) = (\rho /2)[\sin (2{\text{π}}{f_1}t) + \sin (2{\text{π}}{f_2}t)] \end{aligned} \right.$$ (1)

      式中:ρ为高速飞行器最大视场扫描直径。

    • 随着飞行器速度的提高,与防护罩接触的空气受到强烈地压缩,导致大量的空气动能转化为热能,产生气动加热现象。防护罩气动热辐射效应会部分被红外传感器所接收,形成辐射干扰[12],使得背景亮度增加,降低了系统对目标的检测和跟踪能力。当防护罩由于自身温度过高而产生大量热辐射并掩盖目标信息时,即产生热障效应[13-15]

      哈尔滨工业大学的刘元春等通过流场分析,获得了在标准大气中海拔15 km时从3~6 Ma飞行的空气动力学热通量。然后在恒定的传热系数边界条件下研究不同马赫数的热响应。图2示出了最高和最低温度随时间的分布[16]。如图2所示,温度随着马赫数的增加而增加。在相同的马赫数下,外表面上出现的最高温度在1 s内急剧增加。此后,升温速率显着降低。2 s后,温度几乎达到恒定值。同时,最高温度比起初在内表面上出现的最低温度更快地上升,然后增长率几乎保持不变,因此,外表面和内表面之间的温差先增大然后保持几乎相同。此外,3 Ma处的内外表面之间的差异很小,约为26 K,但对于6 Ma,该差异增加至约239 K。

      图  2  温度随时间的分布

      Figure 2.  Temperature variation with time

    • 为了模拟防护罩气动热辐射效应对玫瑰扫描带来的影响,将图1中的Solidworks三维模型导入到TracePro软件中进行杂散光分析。光学系统扫描时,次镜和偏心镜将绕着光轴,按照各自的频率反向旋转。旋转过程中,由于次镜和偏心镜相对光轴倾斜造成杂散光传播路径不断地改变。TracePro每次只能对一种特定的扫描姿态进行光线追迹,因此,采用TracePro宏命令和Python编写了仿真程序。宏命令用于实现对TracePro的自动控制,如动态调整次镜和偏心镜的旋转角度,控制光线追迹并以文件的形式保存追迹的结果等等。Python用于提取保存文件中的数据,分析杂散光对系统的动态影响。

      设次镜旋转频率为${f_1}$,偏心镜旋转频率为${f_2}$,以次镜为基准,设次镜每次旋转一个步长step,单位为 °,则偏心镜对应的旋转角度为:$- step \cdot {f_2}/{f_1}$,如果次镜总的仿真旋转角度为total,则共仿真total/step次。仿真前,先在TracePro中将防护罩设为辐射源,辐射模型选定灰体,发射率设为0.7,按仿真需要设定防护罩的模拟温度、波长等。假设防护罩工作在3~6 Ma之间,按图2的结果,仿真温度设置在常温293~ 500 K之内。防护罩热辐射属于辐度学范畴,因而,在TracePro光线追迹选项中,分析单位选“辐度学”,光通量门槛数设定在10−9以下。防护罩辐射的场角分布为朗伯体,只有极少数光线能够通过光学设计的传播路径进入探测器,这部分光线对探测器的影响有限。绝大部分热辐射光线以杂散光的形式反复在系统内折射和反射,最终部分光线有可能进入探测器。如果光通量门槛数设定过高,这部分能量少、但数量多的杂散光就被忽略了,从而影响到仿真的效果。TracePro每次光线追迹完成后,可以从“分析”选项中获得“辐照度分析”结果,结果中记录了每个面上的光能量强度,其中探测器感光面上的光强度代表了杂散光的强弱。在TracePro中选中探测器,可以观察到探测器接收光线的传播路径,如果从“报告”选项中,选取 “光通量”,还可以观察到探测器感光面上接收到的光线落点位置。

      仿真程序以次镜旋转角度为基准仿真玫瑰扫描过程,次镜旋转步长设为step,仿真次数设为变量n,从n=0开始,每完成一次光线追迹,n=n+1,同时保存“辐照度分析”结果和“光通量”图。光线追迹全部完成之后,由Python程序按n的顺序读取保存的文件,提取传感器感光面上每次仿真收集的杂散光强度,绘制出杂散光变化曲线。仿真流程图如图3所示。

      图  3  仿真流程图

      Figure 3.  Simulation flow chart

    • 在TracePro中,将防护罩设为唯一的辐射源,温度定在常温293 K,为了减少仿真时间,波长采用单一中波3.667 μm。运行仿真程序进行动态过程进行仿真:次镜旋转步长设为1°,偏心镜反向旋转步长(${f_2}/{f_1}$)°,在TracePro中进行光线追迹,防护罩温度293K,探测器接收的辐射能量仿真曲线如图4所示。

      图  4  防护罩温度为293 K,探测器接收的辐射能量

      Figure 4.  Sensor received energy( Temperature of guard is 293 K)

      从仿真结果来看,图像中的辐射能量呈现出高低分布,如图4中当次镜转角为153°时,传感器入射光通量达到极大值1.16×10−6 W,远远超出其他值。为了分析产生的原因,重点关注了该状态下杂散光的传播路径,TracePro仿真的结果如图5所示。

      图  5  杂散光的传播路径局部放大图

      Figure 5.  Partial enlargement of the propagation path of stray lights

      图5显示,防护罩辐射出的杂散光,经滤光片多次反射和折射后,进入到探测器。滤光片在杂散光的传播路径中起到了媒介作用。作为验证,修改了滤光片的模型,将其尺寸改小并置于冷光栏之后,然后重新按以上条件进行仿真,杂散光能量变化曲线如图6所示。

      图6中可以看出,在次镜转角为68°时,干扰光能量达到极大值,数值为2.166×10−7 W,只有图4中极大值的1/10,可见更改滤光片大小和位置,对抑制干扰光的传播作用明显。

      图  6  修改滤光片后,探测器接收到的辐射能量

      Figure 6.  Sensor received energy after revising filter

    • 假设高速飞行器工作在4~5 Ma,按图2的温度曲线,设防护罩模拟温度为400 K左右,由于气动作用的影响,防护罩表面温度会形成一定的温度梯度分布,高速飞行器平稳飞行时,防护罩温度一般表现为两端低中间高,且各点的温度会随高速飞行器的速度大小和仰角的不同以及气流的变化而上下波动。为了模拟防护罩温度梯度,将防护罩表面分为15个环带,编号从中心向外按顺序设为0~15,如图7所示。

      图  7  防护罩表面的温度环带

      Figure 7.  Temperature belts of the dome

      各环带温度设定如表1所示。

      表 1  防护罩表面15个环带温度设定值

      Table 1.  Temperature setting of 15 belts of dome

      ItemValue
      Belt12345
      T/K400405410415418
      Belt678910
      T/K420425430435430
      Belt1112131415
      T/K425420415410405

      将以上防护罩模型调入到TracePro,按以上参数设置仿真初始条件,运行仿真程序进行仿真,得到杂散光能量的变化曲线如图8所示。

      图  8  环带温度梯度分布,探测器接收的辐射能量

      Figure 8.  Radiation energy received by sensor when dome temperature is distributed gradiently

      图8可以看出:当防护罩温度呈梯度分布时,在玫瑰扫描过程中,探测器接收到的来自防护罩的杂散光能量也表现出阶梯分布,各不同强度的干扰信号也呈现出周期性分布。这些周期性的不同强度的杂散光干扰信号,可能会使得高速飞行器在特定的工作条件下,造成目标的丢失或虚警,甚至有可能会影响到高速飞行器的命中率。

    • 为了分析玫瑰扫描系统中的次镜和斜镜在扫描过程中所起的作用,先让次镜及支撑架动而斜镜不动,然后让斜镜动,次镜及支撑架不动,分开仿真玫瑰扫描过程。

      (1)次镜动,斜镜不动

      头罩温度设为500 K,次镜及支撑架绕光轴旋转,斜镜保持固定位置不动,对探测器接收到的头罩杂散光进行仿真,结果如下:

      图9中脉冲以次镜转角350°为间隔,周期分布更为明显,杂散光峰值能量比次极大值高出约1个数量级,各峰值按能量大小呈台阶分布。

      图  9  头罩500 K,次镜旋转,斜镜固定不动,传感器表面入射光通量

      Figure 9.  Dome 500 K, the incident light flux on the sensor surface when secondary mirror rotates and the tilted lens is fixed

      (2)次镜固定,斜镜转动

      头罩设定温度500 K,次镜及支撑架固定不动,斜镜绕光轴旋转,对探测器接收到的头罩杂散光进行仿真,结果如图10所示。

      图  10  头罩500 K,斜镜旋转,次镜固定不动,传感器表面入射光通量

      Figure 10.  Dome 500 K, the incident light flux on the sensor surface when tilted lens rotates and the secondary mirror is fixed

      图10中,杂散光极大值能量比次极大值显剧加大,高出了2个数量级,比图9中的干扰信号极大值增加了103倍。图10中其他各次极大值能量也比图9中相应的值大一个数量级。可见,斜镜在玫瑰扫描过程中对杂散光的贡献起主导作用。

    • 综合以上仿真结果可以看出,防护罩气动热辐射效应产生的杂散光对光学系统的影响随着扫描过程呈现周期性地变化。杂散光进入探测器的路径大部分是通过多次折反射实现的。抑制杂散光的有效途径之一是遮挡杂散光进入探测器的传播路径,如上述改变滤光片前后,杂散光的影响变化显著。在玫瑰扫描过程中,斜镜对杂散光的幅度调制作用比次镜更大。

    • 文中主要研究防护罩的气动热辐射效应对高速飞行器的影响。首先在光学软件中建立玫瑰扫描光机结构模型,然后将防护罩作为辐射源,对不同条件下的防护罩温度分布进行光线追迹。由于玫瑰扫描是动态变化的过程,因此编写了仿真程序,实现了玫瑰扫描过程的动态仿真。通过对仿真过程中保存的TracePro光线追迹产生的文件进行数据处理,最终得到了玫瑰扫描过程中,探测器接收到的杂散光能量变化曲线。仿真结果表明:防护罩气动热辐射及其温度梯度分布会让探测器产生干扰调制信号,调制效果与玫瑰扫描的光机结构、防护罩的温度高低及其梯度分布有关。

参考文献 (16)

目录

    /

    返回文章
    返回