一种光线在变折射率平板侧窗中的传输方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于气动光学光传输效应研究领域，涉及一种光线在变折射率平板侧窗中 的传输方法。
【背景技术】
[0002] 当飞行器在大气中高速飞行时，飞行器平板侧窗与气流产生摩擦，使得大量的动 能转换为热能，在侧窗上产生严重的气动加热，同时，侧窗周围大气迅速升温。因此，气动 热环境下飞行器平板侧窗的外形、温度以及内部光学性质会由于热传导和热应力而发生变 化。由于受热不均匀，侧窗内部会产生热应力和热应变，受热光效应和弹光效应影响，侧窗 的折射率场呈非均匀分布，因此侧窗在复杂热环境下呈现变折射率特征。侧窗非均匀分布 的折射率场使得通过侧窗传输的光束产生附加相位，光束波前发生畸变，这就是侧窗的光 传输效应。侧窗的光传输效应会引起目标像的偏移、抖动和模糊，进而影响了高速飞行器对 目标的探测、跟踪与识别能力，因此研究复杂热环境下光线在一种变折射率平板侧窗中的 传输方法，对提高高速飞行器红外成像探测精度具有重要意义。
[0003] 在对飞行器平板侧窗光传输进行仿真研究时，需要充分考虑气动热环境下飞行器 平板侧窗的外形和内部光学性质的变化，一般采用有限元分析法对侧窗的温度场与形变场 进行分析。采用有限元方法对侧窗进行热响应分析后可以得到每个节点位置的温度以及形 变数据，进而依据弹光效可以得到对应节点处的折射率值。对侧窗进行网格划分后，大量节 点的形变与温度数据使得对入射到窗口的光线的入射角以及入射平面法向量的确定变得 困难，因此对于入射到平板侧窗上的光线直接按照折射定律进行光线追迹已经不适用。
[0004] 为了通过数值仿真的方法得到目标经过复杂气动热环境（包括复杂的大气以及 变折射率窗口）后的成像情况，就必须对飞行器侧窗的光传输方法进行研究。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供光线在一种变折射率平板侧窗中的传输方法，解决了在变折 射率分布的平板侧窗中光线追迹的问题，为后续采用编程实现变折射率平板侧窗中光传输 仿真提供了一种算法。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007] -种光线在一种变折射率平板侧窗中的传输方法，通过对飞行器平板侧窗外表面 变形数据进行拟合，确定对应光线入射到发生变形的平面的法向量以及对应的入射角，进 而依据提前设定的步长按照折射定律对该次折射完成后到达下一表面的折射光线的入射 点进行确定，为下一次的折射过程提供入射点与入射角。对于划分网格后的侧窗中上下两 个节点之间的部分，在本发明中采用合适的折射率插值公式对中间介质的折射率进行确 定。按照上述原理逐次循环确定入射平面法向量、入射角、折射角，进行光线在窗口内部的 光线追迹，直到光线到达飞行器平板侧窗内表面，然后对内表面网格进行拟合，按照与外表 面光线追迹相似的办法，对飞行器平板侧窗内表面进行光线追迹。
[0008] 具体实施步骤如下：
[0009] -、飞行器平板侧窗外表面光线追迹
[0010] (1)建立飞行器平板侧窗未变形前的有限元结构；
[0011] (2)在未变形飞行器平板侧窗有限元结构的基础上，依据ANSYS所得的平板侧窗 热响应结果对飞行器平板侧窗外表面进行曲面拟合；
[0012] (3)求入射光线与平板侧窗外表面的交点E ;
[0013] (4)采用全局循环算法寻找平板侧窗形变外表面面元中与E点距离最近的面元 H'、I'、J' 和 Γ ;
[0014] (5)根据最小二乘法求该面元法向量；
[0015] (6)按照折射定律确定折射光线的方向向量、下一个光线追迹点的坐标以及平板 侧窗外表面光线追迹的光程。
[0016] 二、飞行器平板侧窗内部光线追迹
[0017] (1)获得光线追迹点在介质中的折射率值及其折射率梯度值；
[0018] (2)依据菲涅尔定律求得折射光线矢量。
[0019] 三、飞行器平板侧窗内表面光线追迹
[0020] 平板侧窗内表面光线追迹方法与窗口外表面光线追迹方法相同，在窗口内表面进 行光线追迹时变对窗口形变内表面进行曲面拟合以求其表面法向量，然后根据折射定律可 求得从窗口内表面出射的光线矢量。
[0021] 本发明的优点主要体现在以下3个方面：
[0022] (1)气动热环境下飞行器光学窗口的外形、温度以及内部光学性质会由于热传导 和热应力而发生变化，因而加大了对飞行器窗口部分进行光线追迹的难度。本发明所提出 的方法可以有效地解决这个问题，为后续采用数值仿真编程提供了一种在光线在变折射率 介质中的传输方法。
[0023] (2)本发明所提出方法可以对由ANSYS分析得到的海量侧窗热响应数据进行转 化，可以实现任意光线追迹点处折射率与折射率梯度的计算。所建立的折射率与折射率梯 度计算模型可以较精确的模拟出实际复杂热环境下介质的变折射率场分布。
[0024] (3)本发明所提出的光线在变折射率平板侧窗中的传输方法在实际应用中并不局 限于平板侧窗，对与其他形状的飞行器窗口或头罩也适用，因而在实际应用时，可以灵活做 出变动，实现光线在任意形状光学窗口中的光传输仿真。
【附图说明】
[0025] 图1为飞行器平板侧窗有限元结构示意图；
[0026] 图2为光线追迹落点E判定在飞行器侧窗内示意图；
[0027] 图3为光线追迹落点E判定不在飞行器侧窗内示意图；
[0028] 图4为平板侧窗外表面曲面拟合以及光线追迹示意图；
[0029] 图5为平板侧窗内部某一折射率网格内包含的离散光程示意图；
[0030] 图6为平板侧窗内部光线追迹流程图；
[0031] 图7为平板侧窗内外表面光线追迹流程图；
[0032] 图8为光线在变折射率平板侧窗光传输简单模型示意图。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本 发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖 在本发明的保护范围中。
[0034] 本发明提供了一种光线在变折射率平板侧窗中的传输方法，具体内容介绍如下：
[0035] 气动热环境下飞行器平板侧窗光线追迹流程主要包括窗口外表面光线追迹、窗口 内部光线追迹和窗口内表面光线追迹。光线追迹流程的简单模型如图8所示。下面对以上 三部分的光线传输原理及方法分别做出具体介绍。
[0036] 一、飞行器平板侧窗外表面光线追迹
[0037] 在复杂热环境下，外表面存在形变，且在对平板侧窗做热响应仿真分析时，只能得 到窗口外表面离散点坐标值，因此，在窗口外表面进行光线追迹时必须依据窗口实际形状 特点对窗口外表面进行曲面拟合。
[0038] 在本发明中，所要研究的飞行器平板侧窗未变形前的有限元结构示意图如图1所 示。该平板侧窗长1 = 〇· 〇8m，宽W = 0· 06m，高d = 0· 008m，窗口的外表面四个顶点分别 为A，B，C，D。当入射的光线与该平板侧窗外表面的交点为E时，需要对点E是否在该平板 侧窗的外表面内进行判断。判断的方法为：可通过计算E点与平板侧窗四个顶点A，B，C，D 中两两相邻顶点之间的夹角和进行判别。考虑到实际计算中可能存在误差以及采用计算机 编程后在执行代码时易出错，需要给定一个误差限ε，进行判断。ε的取值在大于〇的情 况下越小越精确，一般情况下，取其值为10 5左右即可。如果满足以下公式：
[0039] Z AEB+ Z BEC+ Z CED+ Z DEA-2 π ^ ε ；
[0040] 则E点在A窗口的外表面内，如图2所不；否则，E点不在该平板侧窗的外表面内， 如图3所示，不需要对该根光线继续进行追迹。
[0041] 划分网格之后，平板侧窗外表面某一网格内曲面拟合以及光线追迹的示意图如图 4所示，其他形状窗口表面光线追迹原理与平板侧窗类似。
[0042] 根据图4,当入射的光线与某一平板外表面的交点为E点时，通过循环算法找到与 E点距离最近的面元H'、I'、J'和Γ。其中H、I、J和K表示未发生形变时该表面网格对应 的四个点；H'、I'、J'和Γ点表示入射光线与飞行器平板侧窗形变外表面交点E所在的表 面网格的四个节点；根据H'、I'、J'和Γ四个结点的坐标，采用最小二乘法可拟合得到经 过这四个变形点的平面的法向