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气动光学中的湍流拟序结构研究以及相关波前畸变测量技术

谢文科  
【摘要】: 流体与光的相互作用问题分成两类:气动光学和大气传输。第一类问题光学畸变发生在“近场”较短的光路上,即流层厚度L,光束直径A,以及湍流尺度Λ三者之间存在关系式: ΛA≤L≤A第二类大气传输问题光学畸变则发生在较长的一段光路上,L,A,以及Λ满足: A<<Λ≤L对于地基情况下的大气光学传输,300Hz的波前传感器就能实时地测得光波前畸变包括时间、空间频率的相关信息,为我们的自适应光学系统的设计、制造以及进行相关的自适应校正都有着相当重要的指导意义。气动光学则通常与光通过湍流剪切层等一类问题相关,例如机载光学成像系统、光学制导系统等,发射或者接收的光都必须通过飞行器表面由于飞行所形成的剪切层或者飞机尾流。然而,即使是这样一类的低速流场(<10m/s)其特征频率也达到2kHZ,对于与机载光学系统相关的湍流场其带宽范围通常在30~100kHZ。显然,现有的自适应光学系统无法满足这种高频的需要。 湍流拟序结构是湍流研究中一个重要的发现,它表明湍流并非完全无规则的随机运动,在看似规则的湍流中实际上存在着可以检测和显示的拟序结构,也叫大涡拟序结构。过去在对气动流场进行气动光学分析时把湍流场当作均匀、各向同性介质处理,显然这种假设的条件似乎太过苛刻。研究表明,湍流拟序结构包含着很大一部分流场能量,它对于脉动的生成以及流场传输的都起着相当重要的作用,如能恰当的改变湍流的初始、边界条件从而对流场加以控制,对于改善实际应用系统的性能有着重要的意义,例如改善高能激光气动窗的输出光束质量,提高高能武器系统的远场光场强度等。 快速剪切干涉仪、脉冲干涉仪以及运用关联方程的间接方法对波前畸变进行测量的技术已开始应用于气动光学问题中,但二者都无法给出与时间相关的波前畸变信息,最近的基于“冻流”假说的SABT能对气动光学中波前畸变进行实时测量。


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