气动光学效应仿真系统设计与实现

2022.08.19

包实秋+许东+黄选平+谭晓颂

摘要：针对高超声速飞行器气动光学效应及其校正研究的技术需求，设计开发了一套气动光学效应仿真系统，用于对气动光学效应进行全过程仿真。系统基于“模块化”、“可扩展”和“可视化”的设计思路，采用“仿真平台+数据库+功能插件”的系统实现方案，在VisualStudio2008开发环境下，完成了气动光学效应仿真系统平台、数据库及相关功能插件的开发工作。系统支持用户根据自身需求自主编制仿真任务，并可在接口规范的约束下，自主定制功能模块对系统进行扩展。本系统可以为解决高超声速飞行器气动光学效应及其校正方法的理论研究与工程应用问题提供理论依据和技术手段。

关键词：气动光学;仿真软件;任务编制;模块化;可扩展性

中图分类号：TP311.5 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）05-0041-05

0 引言

高超声速飞行器是当今世界各国的研究热点之一。当飞行器在大气层中高速飞行时，会产生剧烈的气动光学效应，严重影响光学成像过程，是高超声速飞行器光学成像探测必须解决的瓶颈问题。

到目前为止，国内外很多研究机构已对气动光学效应机理及其校正方法开展了大量的研究工作，也报道了一些研究成果。这些研究包括气动光学效应机理[1]、测试试验[2-3]、数值模拟[4-5]和退化图像校正[6-7]等方面。

在此基础上，以美国为代表的西方国家对气动光学效应的研究，己开始向工程应用方向发展。如美国TeledyneBrownEngineering公司[8]、HIPEC

评估中心以及Lockheed公司等研究机构分别研制了AOQCode、DNAOS[9]等气动光学效应仿真软件，用于对高超声速飞行器的气动光学效应进行仿真分析和探测性能预测，并已经在相关型号的武器研制中发挥了重要作用。

国内对气动光学效应也开展了相关的研究工作，在气动光传输[10]、气动热辐射[11]、气动加热[12]、退化质量评估[13]等方面取得了一定的研究进展。但是到目前为止，还没有出现实用化的、能够对气动光学效应全过程进行完整仿真和分析的系统平台。在实际的工程应用中，用户难以真正系统、全面地考虑气动光学效应对成像探测带来的影响问题。

本文在当前理论研究的基础上，设计并开发了一套气动光学仿真系统。该系统能够对高超声速绕流、流场与头罩气动热耦合、流场和光学头罩的气动光传输、流场和光学头罩的气动热辐射、光学探测系统成像等进行全过程数值模拟和仿真分析，并能够对气动光学效应引起的像质退化进行评估和分析，能够为气动光学效应仿真理论研究和工程应用提供完整的解决方案。

1 系统总体设计方案

对气动光学效应的研究结果表明，气动光学效应主要包括：高超声速绕流引起的流场光传输效应、流场高温气体分子的热辐射效应、光学头罩温度的升高和应力应变引起的头罩光传输效应、光学头罩热辐射效应等[14]。因此，气动光学效应仿真的研究内容可划分为六部分，如图1所示。

这六部分涵盖了气动光学效应影响的全过程。通过仿真，可以得到气动光学效应给红外图像所带来的“抖动”、“模糊”、以及强烈的“热背景干扰”等影响，并以相关指标对上述影响进行定量的分析。

针对上述需求，图2给出了系统的总体设计方案。

气动光学仿真系统被划分为“仿真参数”，“仿真计算”，“数据库”三部分。

“数据库”部分负责仿真系统的数据存储与管理，其存储了仿真过程所需的全部参数，计算模块的配置信息，系统平台的配置信息以及仿真过程中所生成的中间结果。

“仿真参数”部分为用户提供了配置参数的接口，用户可以通过该部分的模块完成特定参数的选择、修改、添加以及删除。用户所进行的所有设定都会同步至数据库进行保存。仿真参数主要包括如下内容：

（1）目标图像：用于仿真的原始图像，最后会将气动光学效应作用在此图像上，进而得到退化结果。

（2）头罩材料参数：飞行器光学头罩材料相关参数，如比热容、折射率等。

（3）飞行弹道参数：描述飞行器飞行的轨迹。

（4）大气物理模型：提供数值模拟时所采用的大气模型，根据相关模型计算大气的温度、压强等参数。

（5）头罩结构参数：头罩结构的约束参数，通过这些参数可以完成头罩几何结构的建模。

“仿真计算”部分负责完成气动光学仿真系统的仿真计算任务，采用基于模块化的思想进行设计，主要包括以下模块：

（1）网格建模：根据具体的头罩结构参数以及网格建模要求，实现对仿真对象的自动网格建模，并将建模结果数据保存在相应文件中。

（2）流固耦合数值模拟：以“头罩材料参数”、“飞行弹道参数”、“大气物理模型”和网格建模结果为输入参数，完成流场CFD数值模拟与流场-头罩气动热耦合分析，模拟飞行时头罩本身以及周围流场的温度、压力、密度等状态量的分布并保

（3）流场光线追迹：根据流场密度的数值模拟仿真结果，计算流场密度与折射率分布，并对光线在流场中的传输过程进行仿真计算，获得流场出射光线的波前畸变，完成对流场光传输效应分析。

（4）流场热辐射计算：根据流场的数值模拟结果、大气物理模型以及气体分子光谱辐射的相关理论，对高温绕流场中的气体辐射进行仿真计算，获得流场的热辐射分布及辐射出射，完成对流场热辐射效应分析。

（5）头罩结构及折射率变化分析：根据流固耦合数值模拟的结果，导出头罩的温度分布数据，求出头罩内部的应力应变分布数据。

（6）头罩光线追迹：首先根据头罩温度和应力应变的数值模拟结果，计算头罩折射率分布数据，然后计算由于头罩折射率分布不均匀带来的光波前畸变，完成对头罩光传输效应的分析。

（7）头罩热辐射计算：根据头罩温度和应力应变的数值模拟结果，对被严重加热头罩的热辐射情况进行计算，通过求解辐射传输方程获得头罩内表面的热辐射出射分布，完成对头罩热辐射效应的分析。

（8）光学成像仿真：综合前述流场光传输、流场热辐射、头罩光传输和头罩热辐射的仿真结果，根据成像理论，对目标图像进行成像仿真，得出退化的图像结果。

（9）图像退化评估：通过对退化图像与原始目标图像的对比分析，对图像信噪比、对比度、制导精度、失真程度等指标进行评估，为后续的目标识别、跟踪与制导提供依据。

2 系统的软件实现

2.1 系统实现技术方案

系统实现方案如图3所示。系统全部模块插件以DLL形式封装，并提供标准规范接口嵌入气动光学仿真系统平台中。系统内嵌了ANSYS平台，ANSYS提供给用户丰富的二次开发接口，系统能够根据仿真相关参数自动生成符合其规范的命令流，然后调用ANSYS自动读取命令流来实现所需功能。

2.2 系统平台类建模

本文采用UML语言对软件平台进行建模，模型符合UML标准规范[15]，系统平台类模型设计如图4所示。

主要类的功能如下：

（1）CApp/CView/CMainFrame/CDoc：MFC基本框架类，分别管理程序运行实例、程序视窗、程序数据。

（2）DataBase类：程序与数据库的交互模块，其中定义了相关状态变量以及数据库指针，方便数据库随时访问;对程序所需的数据库操作进行了封装，规范了数据库接口;同时也方便该接口在模块中进行复用。

（3）SetUp类：该类完成软件关于配置的相关操作以及维护与其相关的变量，通过该类的实例可以完成对软件的配置操作。

（4）Save&Read类：软件可以对当前执行的仿真工程进行保存和对已保存的工程进行读取，该类封装了此功能相应操作及变量。

（5）QdList类：软件左侧模块名称列表窗口，该列表列出当前可用功能插件。

（6）DataWnd/InfoWnd/OutputWnd类：软件数据显示窗口、信息显示窗口、状态显示窗口，此三个窗口对软件的状态进行实时显示。

（7）RunSim类：仿真操作窗口，控制仿真任务的起停，显示仿真任务状态。

（8）DLLOperation类：接口类，封装了软件平台对DLL的所有操作。

（9）SelfDefine类：抽象类，代表软件中自定义的相关数据结构。

（10）DataManage类：维护软件正常运行所需的相关变量，封装了访问、修改这些变量的操作。

（11）Module类：模块管理类，封装了添加模块、删除模块相关操作，以及模块数量等相关状态变量，用于实现模块的可扩展，支持用户自主构建模块。

2.3 功能插件类建模

功能插件类模型设计如图5所示。

StandModel接口类定义了与插件交互所需要的接口函数，平台通过这些函数接口来使用封装在插件内的仿真运算功能、UI接口、图标等资源。为了使插件功能完整而又独立于系统平台，插件还具备以下重要组成部分：

（1）SetUpDlg类：该类实现了插件的参数配置窗口，通过此窗口对插件所需要的参数进行配置;配置完成后，该类调用DataBase类将配置信息存入数据库。

（2）RunDlg类：该类封装了插件的仿真运算功能，并且实现了一个运行窗口来显示仿真运行的状态。仿真运行之前，该类会通过DataBase类读取数据库中的配置参数以及相关输入参数，完成初始化工作后，进行仿真运算。

（3）DataPreProcess类为数据预处理类，在利用有限元数据进行数值仿真的功能插件中，该类完成数据预处理功能，提供了对有限元数据的快速访问机制，和对不同格式有限元数据的访问功能，保证了运算准确性以及运算效率。Element为实现该类所需要的数据结构。

图6给出了系统所采用的“平台+插件”架构的组件图。

StandModel为虚类，所有模块组件必须继承此类并实现该类，才能加入到平台中被平台调用，而每个组件的接口实现不同，因此其功能相互独立。

系统架构中的接口规范对外开放，用户只需要继承StandModel接口，并在新加入的组件中实现接口中的函数，然后将模块添加至平台即可实现对系统功能模块的自主定制。 3 仿真示例

基于以上设计方案开发的气动光学效应仿真系统，采用通用的用户操作界面，符合用户使用习惯，易于操作。图7给出了一个已经完成气动光学效应仿真任务编排的界面图。

图中左侧列表对已经添加的模块进行实时显示，工具栏上具有模块配置按钮，可以随时添加，卸载模块;创建仿真任务时，只需从左侧列表中将相关模块拖入到中间窗口即可创建相应模块，模块之间采用鼠标连线的操作方式进行编排。系统提供数据源模块和数据中间存储模块，使得仿真任务可以从任意阶段开始，提高了系统使用的灵活性。此外系统还提供任务状态、数据实时显示等辅助功能。

图8和图9分别给出了两组不同条件下的图像仿真结果。相应的退化质量评估结果如表1、表2所示。

图8为飞行速度Ma=3，飞行高度20km，攻角0度下的仿真结果，（a）为未经气动光学效应作用的原始图像，（b）右图为气动光学效应作用下的结果图像。图9为飞行速度Ma=5，飞行高度10 km，攻角53°下的仿真结果。图8～9均为球形头罩成像结果，在成像过程中，首先利用流场和头罩光线追迹的计算结果，得出与光传输效应等效的PSF，并与图像做卷积，得出在光传输效应影响下的图像，再将流场与头罩的热辐射计算结果进行量化并转换成灰度分布，叠加至图像上。从图中可以看到，飞行条件越苛刻，气动光学效应越严重。

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