● 摘要
随着新军事技术变革的到来，高超声速精确制导武器成为现代军事发展的重要方向之一。当带有光学成像探测系统的飞行器在大气层中高速飞行时，其光学头罩和来流之间发生剧烈的耦合作用，形成高温复杂流场，产生严重的气动光学效应。来自目标的光线在探测器敏感面成像时受到高温流场与光学头罩的双重影响，成像质量下降，制导精度降低。本论文通过理论分析和实验仿真，对在高超声速条件下，流固耦合作用对光传输效应进行了系统的研究。
光线在传输过程中主要受到折射率的影响，本文首先从流场与光学头罩的热流固耦合建模入手，根据数值模拟的结果，计算不同介质的非均匀折射率场分布，进而通过光线追迹法和蒙特卡洛法计算光线在场中相位和能量的变化情况，最终结合光学成像原理，根据传输结果计算得出畸变后的图像。论文的主要研究工作与创新如下：
1. 研究了气动环境下，光学头罩及其绕流流场的热流固耦合过程，通过RNG 二方程模型求解Navier-Stokes方程组，并用数值方法计算交界面处流场的网格形变量，使流场与头罩的网格坐标分布在飞行过程中始终保持契合。
2. 完整的分析了气动环境下，影响流场与光学材料折射率分布的因素，综合考虑，准确计算不同介质折射率场的分布情况。
3. 分别从几何光学法和统计光学法着手，一方面，通过龙格-库塔法解光线方程计算光传输的相位变化，另一方面，通过蒙特卡洛法模拟光子运动，计算光传输能量的衰减。最后，将两者结合起来完整的描述气动光传输效应。
4. 选择合理的像质评价函数，对光传输结果进行描述，并通过光学成像原理，分析了耦合光传输效应对成像干扰畸变的影响规律。
论文的研究工作较好地解决了在气动热环境下，光线从目标发出到探测器成像这一问题的计算，为进一步研究气动光学校正问题提供了数值仿真依据。