[发明专利]一种气动光学效应引起的星光偏折补偿方法

说明书

本发明公开了一种气动光学效应引起的星光偏折补偿方法，属于气动光学效应的偏折补偿领域。首先构建气动光学仿真环境，计算入射光产生的偏折角，同时采集N个波前曲面。并分别进行泽尼克模态分解，去除表示稳态的常值分量，以及表示X、Y方向的倾斜分量和系数，保留高阶畸变波前的系数作为输入，以入射光产生的偏折角作为输出，分别训练两个SVM拟合模型。重新构建偏折角未知的气动光学仿真环境，重复上述操作，获取新的保留高阶畸变波前的分量和系数，输入两个SVM拟合模型中，分别输出光束在X和Y方向的偏折角估计值，加到由像面坐标计算的光束入射角后，补偿光束偏折。本发明在补偿精度和补偿模型的泛化能力上都有了很大提高。

技术领域

本发明属于气动光学效应的偏折补偿领域，具体是一种气动光学效应引起的星光偏折补偿方法。

背景技术

随着高速和高超声速飞行器的快速发展，高精度的自主导航技术成为需要突破的瓶颈问题。天文导航具有完全的自主性，在轨道飞行器和低速航空器上被广泛应用，是一种高精度的自主导航技术。但在高速流场中光学设备在接收入射的导航星光时，会受到气动光学效应的干扰，使像面上的星点相对其真实入射方向产生偏移，从而给天文导航中的星点质心提取带来误差，降低导航解算精度。因此，开发一种星点偏折角的估计和补偿方法是提升高速飞行器天文导航精度的有效途径。

目前针对气动光学引起的光束偏折角的补偿，只有美国学者提出的文献[1]：期刊论文，《使用高阶波前估计气动光学效应的偏折角》。作者：Matthew R.Whiteley，DavidJ.Goorskey，Richard Drye。2013年7月。缺点是用畸变波前的泽尼克模态系数来建立线性拟合函数，然后用拟合函数来估计相似飞行状态下的光束偏折角的映射关系，由于线性函数的形式过于简单，很难准确刻画复杂的信号关系，因此用线性函数来估计光束偏折角其精度和估计模型的适用性(泛化能力)都很低。此外，现有技术中只有一些气动光学效应影响下的光束偏折角测量实验，见文献[2]：会议论文《穿过高超音速气流的近场和远场气动光学效应测量》；作者：Yanta,William等；2000年公开；文献[3]：期刊论文《高超音速湍流边界层气动光学畸变中倾斜分量的统计特性》；作者：高穹,姜宗福,易仕和等；2013年3月公开。上述两个文献都并没有相应的补偿方法。

发明内容

本发明针对上述问题，采用了一种非线性拟合技术来建立畸变波前的模态系数和光束偏折角的映射关系，可以解决光束偏折角估计精度偏低的问题，并且估计模型的适用性更广；具体是一种气动光学效应引起的星光偏折补偿方法。

具体步骤如下：

步骤一、构建气动光学仿真环境，计算入射光受气动光学效应影像产生的偏折角，同时采集N个波前曲面。

构建气动光学仿真环境有两种：物理试验方法和数值仿真试验方法：

在物理试验方法中，通过风洞模拟飞行器的高速绕流场，然后以某一角度的入射光穿过该流场，在飞行器光学窗内安装波前测量设备和成像设备，分别测量畸变波前和像点坐标。通过测量的像点坐标和对应的入射光的真实入射角计算得到入射光受气动光学效应影像产生的偏折角。

在数值仿真试验中，在被模拟的某飞行状态下，通过流场数值仿真技术获取飞行器光学窗附近的密度场；给定一个光束入射角γ，通过光线追迹方法计算光束穿过流场后的光程差OPD即波前；再由OPD通过光学成像数值模拟技术计算像面上的图像灰度分布，通过质心提取得到像点坐标(x,y)，由像点坐标和光束入射角γ得到入射光受气动光学效应影像产生的偏折角。

同时，采集波前测量设备测量的N个畸变波前曲面，以及数值仿真中通过光线追踪获取N个光程差OPD曲面。

步骤二、对N个波前曲面分别进行泽尼克模态分解，得到每个波前的泽尼克模态系数；

首先，将每个波前曲面数据分为如下组分：