氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

包實(shí)秋+許東+黃選平+譚曉頌

摘 要：針對(duì)高超聲速飛行器氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)及其校正研究的技術(shù)需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)仿真系統(tǒng)，用于對(duì)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)進(jìn)行全過(guò)程仿真。系統(tǒng)基于“模塊化”、“可擴(kuò)展”和“可視化”的設(shè)計(jì)思路，采用“仿真平臺(tái)+數(shù)據(jù)庫(kù)+功能插件”的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，在VisualStudio2008開(kāi)發(fā)環(huán)境下，完成了氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)仿真系統(tǒng)平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)及相關(guān)功能插件的開(kāi)發(fā)工作。系統(tǒng)支持用戶根據(jù)自身需求自主編制仿真任務(wù)，并可在接口規(guī)范的約束下，自主定制功能模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。本系統(tǒng)可以為解決高超聲速飛行器氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)及其校正方法的理論研究與工程應(yīng)用問(wèn)題提供理論依據(jù)和技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：氣動(dòng)光學(xué);仿真軟件;任務(wù)編制;模塊化;可擴(kuò)展性

中圖分類號(hào)：TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-5048（2014）05-0041-05

0 引 言

高超聲速飛行器是當(dāng)今世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)之一。當(dāng)飛行器在大氣層中高速飛行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生劇烈的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)，嚴(yán)重影響光學(xué)成像過(guò)程，是高超聲速飛行器光學(xué)成像探測(cè)必須解決的瓶頸問(wèn)題。

到目前為止，國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)已對(duì)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)機(jī)理及其校正方法開(kāi)展了大量的研究工作，也報(bào)道了一些研究成果。這些研究包括氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)機(jī)理[1]、測(cè)試試驗(yàn)[2-3]、數(shù)值模擬[4-5]和退化圖像校正[6-7]等方面。

在此基礎(chǔ)上，以美國(guó)為代表的西方國(guó)家對(duì)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的研究，己開(kāi)始向工程應(yīng)用方向發(fā)展。如美國(guó)TeledyneBrownEngineering公司[8]、HIPEC

評(píng)估中心以及Lockheed公司等研究機(jī)構(gòu)分別研制了AOQCode、DNAOS[9]等氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)仿真軟件，用于對(duì)高超聲速飛行器的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)進(jìn)行仿真分析和探測(cè)性能預(yù)測(cè)，并已經(jīng)在相關(guān)型號(hào)的武器研制中發(fā)揮了重要作用。

國(guó)內(nèi)對(duì)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)也開(kāi)展了相關(guān)的研究工作，在氣動(dòng)光傳輸[10]、氣動(dòng)熱輻射[11]、氣動(dòng)加熱[12]、退化質(zhì)量評(píng)估[13]等方面取得了一定的研究進(jìn)展。但是到目前為止，還沒(méi)有出現(xiàn)實(shí)用化的、能夠?qū)鈩?dòng)光學(xué)效應(yīng)全過(guò)程進(jìn)行完整仿真和分析的系統(tǒng)平臺(tái)。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，用戶難以真正系統(tǒng)、全面地考慮氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)對(duì)成像探測(cè)帶來(lái)的影響問(wèn)題。

本文在當(dāng)前理論研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一套氣動(dòng)光學(xué)仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)Ω叱曀倮@流、流場(chǎng)與頭罩氣動(dòng)熱耦合、流場(chǎng)和光學(xué)頭罩的氣動(dòng)光傳輸、流場(chǎng)和光學(xué)頭罩的氣動(dòng)熱輻射、光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)成像等進(jìn)行全過(guò)程數(shù)值模擬和仿真分析，并能夠?qū)鈩?dòng)光學(xué)效應(yīng)引起的像質(zhì)退化進(jìn)行評(píng)估和分析，能夠?yàn)闅鈩?dòng)光學(xué)效應(yīng)仿真理論研究和工程應(yīng)用提供完整的解決方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

對(duì)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的研究結(jié)果表明，氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)主要包括：高超聲速繞流引起的流場(chǎng)光傳輸效應(yīng)、流場(chǎng)高溫氣體分子的熱輻射效應(yīng)、光學(xué)頭罩溫度的升高和應(yīng)力應(yīng)變引起的頭罩光傳輸效應(yīng)、光學(xué)頭罩熱輻射效應(yīng)等[14]。因此，氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)仿真的研究?jī)?nèi)容可劃分為六部分，如圖1所示。

這六部分涵蓋了氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)影響的全過(guò)程。通過(guò)仿真，可以得到氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)給紅外圖像所帶來(lái)的“抖動(dòng)”、“模糊”、以及強(qiáng)烈的“熱背景干擾”等影響，并以相關(guān)指標(biāo)對(duì)上述影響進(jìn)行定量的分析。

針對(duì)上述需求，圖2給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。

氣動(dòng)光學(xué)仿真系統(tǒng)被劃分為“仿真參數(shù)”，“仿真計(jì)算”，“數(shù)據(jù)庫(kù)”三部分。

“數(shù)據(jù)庫(kù)”部分負(fù)責(zé)仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理，其存儲(chǔ)了仿真過(guò)程所需的全部參數(shù)，計(jì)算模塊的配置信息，系統(tǒng)平臺(tái)的配置信息以及仿真過(guò)程中所生成的中間結(jié)果。

“仿真參數(shù)”部分為用戶提供了配置參數(shù)的接口，用戶可以通過(guò)該部分的模塊完成特定參數(shù)的選擇、修改、添加以及刪除。用戶所進(jìn)行的所有設(shè)定都會(huì)同步至數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行保存。仿真參數(shù)主要包括如下內(nèi)容：

（1）目標(biāo)圖像：用于仿真的原始圖像，最后會(huì)將氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)作用在此圖像上，進(jìn)而得到退化結(jié)果。

（2）頭罩材料參數(shù)：飛行器光學(xué)頭罩材料相關(guān)參數(shù)，如比熱容、折射率等。

（3）飛行彈道參數(shù)：描述飛行器飛行的軌跡。

（4）大氣物理模型：提供數(shù)值模擬時(shí)所采用的大氣模型，根據(jù)相關(guān)模型計(jì)算大氣的溫度、壓強(qiáng)等參數(shù)。

（5）頭罩結(jié)構(gòu)參數(shù)：頭罩結(jié)構(gòu)的約束參數(shù)，通過(guò)這些參數(shù)可以完成頭罩幾何結(jié)構(gòu)的建模。

“仿真計(jì)算”部分負(fù)責(zé)完成氣動(dòng)光學(xué)仿真系統(tǒng)的仿真計(jì)算任務(wù)，采用基于模塊化的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括以下模塊：

（1）網(wǎng)格建模：根據(jù)具體的頭罩結(jié)構(gòu)參數(shù)以及網(wǎng)格建模要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真對(duì)象的自動(dòng)網(wǎng)格建模，并將建模結(jié)果數(shù)據(jù)保存在相應(yīng)文件中。

（2）流固耦合數(shù)值模擬：以“頭罩材料參數(shù)”、“飛行彈道參數(shù)”、“大氣物理模型”和網(wǎng)格建模結(jié)果為輸入?yún)?shù)，完成流場(chǎng)CFD數(shù)值模擬與流場(chǎng)-頭罩氣動(dòng)熱耦合分析，模擬飛行時(shí)頭罩本身以及周圍流場(chǎng)的溫度、壓力、密度等狀態(tài)量的分布并保

（3）流場(chǎng)光線追跡：根據(jù)流場(chǎng)密度的數(shù)值模擬仿真結(jié)果，計(jì)算流場(chǎng)密度與折射率分布，并對(duì)光線在流場(chǎng)中的傳輸過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得流場(chǎng)出射光線的波前畸變，完成對(duì)流場(chǎng)光傳輸效應(yīng)分析。

（4）流場(chǎng)熱輻射計(jì)算：根據(jù)流場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果、大氣物理模型以及氣體分子光譜輻射的相關(guān)理論，對(duì)高溫繞流場(chǎng)中的氣體輻射進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得流場(chǎng)的熱輻射分布及輻射出射，完成對(duì)流場(chǎng)熱輻射效應(yīng)分析。

（5）頭罩結(jié)構(gòu)及折射率變化分析：根據(jù)流固耦合數(shù)值模擬的結(jié)果，導(dǎo)出頭罩的溫度分布數(shù)據(jù)，求出頭罩內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布數(shù)據(jù)。

（6）頭罩光線追跡：首先根據(jù)頭罩溫度和應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)值模擬結(jié)果，計(jì)算頭罩折射率分布數(shù)據(jù)，然后計(jì)算由于頭罩折射率分布不均勻帶來(lái)的光波前畸變，完成對(duì)頭罩光傳輸效應(yīng)的分析。

（7）頭罩熱輻射計(jì)算：根據(jù)頭罩溫度和應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)被嚴(yán)重加熱頭罩的熱輻射情況進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)求解輻射傳輸方程獲得頭罩內(nèi)表面的熱輻射出射分布，完成對(duì)頭罩熱輻射效應(yīng)的分析。

（8）光學(xué)成像仿真：綜合前述流場(chǎng)光傳輸、流場(chǎng)熱輻射、頭罩光傳輸和頭罩熱輻射的仿真結(jié)果，根據(jù)成像理論，對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行成像仿真，得出退化的圖像結(jié)果。

（9）圖像退化評(píng)估：通過(guò)對(duì)退化圖像與原始目標(biāo)圖像的對(duì)比分析，對(duì)圖像信噪比、對(duì)比度、制導(dǎo)精度、失真程度等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，為后續(xù)的目標(biāo)識(shí)別、跟蹤與制導(dǎo)提供依據(jù)。

2 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案如圖3所示。系統(tǒng)全部模塊插件以DLL形式封裝，并提供標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范接口嵌入氣動(dòng)光學(xué)仿真系統(tǒng)平臺(tái)中。系統(tǒng)內(nèi)嵌了ANSYS平臺(tái)，ANSYS提供給用戶豐富的二次開(kāi)發(fā)接口，系統(tǒng)能夠根據(jù)仿真相關(guān)參數(shù)自動(dòng)生成符合其規(guī)范的命令流，然后調(diào)用ANSYS自動(dòng)讀取命令流來(lái)實(shí)現(xiàn)所需功能。

2.2 系統(tǒng)平臺(tái)類建模

本文采用UML語(yǔ)言對(duì)軟件平臺(tái)進(jìn)行建模，模型符合UML標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[15]，系統(tǒng)平臺(tái)類模型設(shè)計(jì)如圖4所示。

主要類的功能如下：

（1）CApp/CView/CMainFrame/CDoc：MFC基本框架類，分別管理程序運(yùn)行實(shí)例、程序視窗、程序數(shù)據(jù)。

（2）DataBase類：程序與數(shù)據(jù)庫(kù)的交互模塊，其中定義了相關(guān)狀態(tài)變量以及數(shù)據(jù)庫(kù)指針，方便數(shù)據(jù)庫(kù)隨時(shí)訪問(wèn);對(duì)程序所需的數(shù)據(jù)庫(kù)操作進(jìn)行了封裝，規(guī)范了數(shù)據(jù)庫(kù)接口;同時(shí)也方便該接口在模塊中進(jìn)行復(fù)用。

（3）SetUp類：該類完成軟件關(guān)于配置的相關(guān)操作以及維護(hù)與其相關(guān)的變量，通過(guò)該類的實(shí)例可以完成對(duì)軟件的配置操作。

（4）Save&Read類：軟件可以對(duì)當(dāng)前執(zhí)行的仿真工程進(jìn)行保存和對(duì)已保存的工程進(jìn)行讀取，該類封裝了此功能相應(yīng)操作及變量。

（5）QdList類：軟件左側(cè)模塊名稱列表窗口，該列表列出當(dāng)前可用功能插件。

（6）DataWnd/InfoWnd/OutputWnd類：軟件數(shù)據(jù)顯示窗口、信息顯示窗口、狀態(tài)顯示窗口，此三個(gè)窗口對(duì)軟件的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

（7）RunSim類：仿真操作窗口，控制仿真任務(wù)的起停，顯示仿真任務(wù)狀態(tài)。

（8）DLLOperation類：接口類，封裝了軟件平臺(tái)對(duì)DLL的所有操作。

（9）SelfDefine類：抽象類，代表軟件中自定義的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

（10）DataManage類：維護(hù)軟件正常運(yùn)行所需的相關(guān)變量，封裝了訪問(wèn)、修改這些變量的操作。

（11）Module類：模塊管理類，封裝了添加模塊、刪除模塊相關(guān)操作，以及模塊數(shù)量等相關(guān)狀態(tài)變量，用于實(shí)現(xiàn)模塊的可擴(kuò)展，支持用戶自主構(gòu)建模塊。

2.3 功能插件類建模

功能插件類模型設(shè)計(jì)如圖5所示。

StandModel接口類定義了與插件交互所需要的接口函數(shù)，平臺(tái)通過(guò)這些函數(shù)接口來(lái)使用封裝在插件內(nèi)的仿真運(yùn)算功能、UI接口、圖標(biāo)等資源。為了使插件功能完整而又獨(dú)立于系統(tǒng)平臺(tái)，插件還具備以下重要組成部分：

（1）SetUpDlg類：該類實(shí)現(xiàn)了插件的參數(shù)配置窗口，通過(guò)此窗口對(duì)插件所需要的參數(shù)進(jìn)行配置;配置完成后，該類調(diào)用DataBase類將配置信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）RunDlg類：該類封裝了插件的仿真運(yùn)算功能，并且實(shí)現(xiàn)了一個(gè)運(yùn)行窗口來(lái)顯示仿真運(yùn)行的狀態(tài)。仿真運(yùn)行之前，該類會(huì)通過(guò)DataBase類讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的配置參數(shù)以及相關(guān)輸入?yún)?shù)，完成初始化工作后，進(jìn)行仿真運(yùn)算。

（3）DataPreProcess類為數(shù)據(jù)預(yù)處理類，在利用有限元數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值仿真的功能插件中，該類完成數(shù)據(jù)預(yù)處理功能，提供了對(duì)有限元數(shù)據(jù)的快速訪問(wèn)機(jī)制，和對(duì)不同格式有限元數(shù)據(jù)的訪問(wèn)功能，保證了運(yùn)算準(zhǔn)確性以及運(yùn)算效率。Element為實(shí)現(xiàn)該類所需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

圖6給出了系統(tǒng)所采用的“平臺(tái)+插件”架構(gòu)的組件圖。

StandModel為虛類，所有模塊組件必須繼承此類并實(shí)現(xiàn)該類，才能加入到平臺(tái)中被平臺(tái)調(diào)用，而每個(gè)組件的接口實(shí)現(xiàn)不同，因此其功能相互獨(dú)立。

系統(tǒng)架構(gòu)中的接口規(guī)范對(duì)外開(kāi)放，用戶只需要繼承StandModel接口，并在新加入的組件中實(shí)現(xiàn)接口中的函數(shù)，然后將模塊添加至平臺(tái)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功能模塊的自主定制。 3 仿真示例

基于以上設(shè)計(jì)方案開(kāi)發(fā)的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)仿真系統(tǒng)，采用通用的用戶操作界面，符合用戶使用習(xí)慣，易于操作。圖7給出了一個(gè)已經(jīng)完成氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)仿真任務(wù)編排的界面圖。

圖中左側(cè)列表對(duì)已經(jīng)添加的模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，工具欄上具有模塊配置按鈕，可以隨時(shí)添加，卸載模塊;創(chuàng)建仿真任務(wù)時(shí)，只需從左側(cè)列表中將相關(guān)模塊拖入到中間窗口即可創(chuàng)建相應(yīng)模塊，模塊之間采用鼠標(biāo)連線的操作方式進(jìn)行編排。系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)源模塊和數(shù)據(jù)中間存儲(chǔ)模塊，使得仿真任務(wù)可以從任意階段開(kāi)始，提高了系統(tǒng)使用的靈活性。此外系統(tǒng)還提供任務(wù)狀態(tài)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示等輔助功能。

圖8和圖9分別給出了兩組不同條件下的圖像仿真結(jié)果。相應(yīng)的退化質(zhì)量評(píng)估結(jié)果如表1、表2所示。

圖8為飛行速度Ma=3，飛行高度20km，攻角0度下的仿真結(jié)果，（a）為未經(jīng)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)作用的原始圖像，（b）右圖為氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)作用下的結(jié)果圖像。圖9為飛行速度Ma=5，飛行高度10 km，攻角53°下的仿真結(jié)果。圖8～9均為球形頭罩成像結(jié)果，在成像過(guò)程中，首先利用流場(chǎng)和頭罩光線追跡的計(jì)算結(jié)果，得出與光傳輸效應(yīng)等效的PSF，并與圖像做卷積，得出在光傳輸效應(yīng)影響下的圖像，再將流場(chǎng)與頭罩的熱輻射計(jì)算結(jié)果進(jìn)行量化并轉(zhuǎn)換成灰度分布，疊加至圖像上。從圖中可以看到，飛行條件越苛刻，氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)越嚴(yán)重。

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