[发明专利]基于序列图像校正的气动光学传输效应测评装置

说明书

技术领域

本发明属于气动光学、图像处理与测量技术相结合的交叉科学技术领域，具体涉及一种基于序列图像校正的气动光学传输效应测评方法与装置。

背景技术

气动光学是研究高速绕流对高速飞行器成像探测的影响及其校正的一门学科。带有光学成像探测系统的高速飞行器在大气层内飞行时，光学头罩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光线传输干扰，引起景物图像偏移、抖动、模糊，这种效应称为气动光学效应。高速飞行器搭载的光学成像探测系统在大气层内飞行时，其光学头罩与来流之间发生剧烈的相互作用将引起周围大气的显著变化：组成成份的变化、构成密度及密度梯度的变化、气体温度及温度梯度的变化，甚至产生分子电离现象等，形成复杂的流场，对光学成像探测系统造成热、热辐射和图像传输干扰，引起图像偏移、抖动、模糊等气动光学效应。气动光学效应包括：高速流场气动光学传输效应、气动热辐射效应和光学头罩气动热效应。

气动光学传输效应是指从景物发出的光波经过气动流场后，由于气动流场的随机变化使传输光束产生偏折，不均匀介质对光能有散射、吸收等现象，最终在飞行器成像系统中反映为图像模糊、像偏移、聚焦能量的衰减和像抖动等效应。气动光学传输效应一般用像偏移、像模糊、像抖动和能量衰减度等参数来衡量。

上述气动光学应用问题存在于高速真实气体流场，光波与流场的相互关系是十分复杂的。目前，对这些复杂的气动光学效应问题没有成熟的理论，这意味着所有可适用的研究进展必须依赖于地面风洞实验，在地面上对飞行高速流场进行模拟，从风洞验证实验测量中采集完整可靠的数据。在风洞试验中获取气动光学效应序列图像数据，是一种方便实用、经济、有效的试验方法，为研究气动光学效应引起的像偏移、像模糊、像抖动的分析预测提供可靠的测评手段。

然而，目前国内外公开文献仅有微观测量手段的报道，这些基于流场参数测量的传统方法从微观角度对流场参数进行直接测量，很难建立这些流场参数对目标成像质量影响的数学模型，也很难建立高速飞行器马赫数与气动光学传输效应的关系和高速飞行器光学窗口与气动光学传输效应的关系。因此，不能定量地估计气动光学传输效应对成像质量的影响。气动光学传输宏观效应(包括点扩展函数PSF、光学调制传递函数MTF、Strehl比、抖动范围、抖动频率等)的定量测量和评价目前还缺乏手段和措施。

目前，公开文献中用于气动光学测量的方法主要有以下几种形式。

1.流场显示的纹影方法和阴影方法；

纹影和阴影方法能显示透明介质中折射率的微小变化。纹影方法归结为测量折射率变化的一阶导数；而阴影方法测量折射率变化的二阶导数。其得到的图像记录是空间、时间的积分过程。

(见文献1：Beams.J W.Shadow and Schlieren Methods.In“Physical Measurements inGas Dynamics and Combustion”(R.W.Ladenburg)Princeton univ Press，New Jersey，1954)

2.流场显示测量的激光光片散射方法；

用激光光片切割流场的光学散射方法，瞬时显示被切割的平面，得到流场信息。激光光片散射方法有平面米氏微粒散射法和平面瑞利分子散射法两种。(见文献2：Dyer T.M.Rayleigh Scattering Measurements of Time-Resolved Concentration in a TurbulentPropane Jet.AIAA J.17(8)，912-914，1979)

3.流场密度分布测量的干涉方法；

流场密度分布测量的干涉方法是以光波干涉原理为基础的测量技术。干涉图中的干涉条纹是干涉测量得到的信息载体，反映了两路不同路径的光束传输过程的光程差。干涉方法有双光束干涉法、点衍射干涉法、全息干涉法和剪切干涉法。(见文献3：BachaloW D.Optical Interferometer in Fluid Dynamics Research.Optical Engineering，Vol.24，No.3，May 1985)

4.波面传感器方法；