飞行器模型气动光学效应风洞试验方法 编制说明

1《飞行器模型气动光学效应风洞试验方法》编制说明（征求意见稿）近几十年来，随着高速导弹成像制导系统、机载激光系统和高功率激光器等方面研究的不断深入，气动光学效应的重要性逐渐得到重视。目前，气动光统一的测试方法和评价标准，无法为气动光学效应研究提供有效的风洞试验支撑。本标准旨在基于风洞试验的基本标准，结合气动光学试验的特点，建立气动光学风洞试验评估标准，以保证气动光学风洞试验结果的可靠性。因此，全国空气动力通用技术标准化技术委员会在技大学空天科学学院等单位负责起草，主要起草人：易仕和、丁文件的结构和起草规则）、GJB2987-1997（高超声速风洞模型设计准则）、GJB4399-2002研单位，结合实际，在以上基础上起草了《飞行器模型气动光学效应风洞试验方法》国家标会暨标准工作组会，将本文件草案提交相关专家进行评审。专家从标准框架和内容等方面提主要起草单位：中国人民解放军国防科技大学空天科学中国航天空气动力技术研究院、中国航空工业空气动力研究院、中国空气动力研究与发展中心、航天工程大学、航天一院十二所、北京电子工程总体研究所、中国航天科工集团第三总2本文件的制定以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，以实现科技进步和自立自制定本文件的目的是规定亚声速风洞、跨声速风洞、超声速风洞和高超声速风洞机载光学设备光学成像试验、畸变波前测试试验和光束抖动测试试验的一般准则和要求，以保证气3本文件适用于亚声速风洞、跨声速风洞、超声速风洞和高超声速风洞中开展的导引头模型、目标成像模型和激光主动发射模型的光学成像试验、畸变波前测试试验和光束抖动测试的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，GB/T27418-2017测量不确定2.4.1气动光学效应aero-op光线穿过飞行器模型附近变密度流场和光学窗口以后出现的偏移、抖动、扩散和能量衰42.4.4光程差opticalp2.4.5波像差wavefrontaberration;waveab2.4.7阻塞度percentageofblockage试验模型及其支撑件的最大迎风面积Smax与风洞喷管出口的横截面积S0之比，用ε=Smax/S0表示。2.4.8气动光学效应风洞试验windtunneltestforaero-opt在风洞中利用测试设备，测量飞行器模型附近流场产生的气动光学效应的工作。常规性飞行器模型气动光学效应测量称为气动光学效应风洞试验；发现气动光学效应新现象或者探表1飞行器模型气动光学效应风洞试A AD——光学孔径/光束直径α——模型的俯仰角B——光束或者靶标在光学窗口表面的笛卡尔坐标系原点 5β——模型的偏航角——对比度—CT——清晰度 Dt——标准圆柱+半球转塔模型中圆柱的直径Eu——欧拉数—ε——阻塞度—F——镜头光圈值—Fr——弗劳德数—f——镜头焦距fs——采样频率ht——标准圆柱+半球转塔模型中圆柱的高度I——图像中像素的灰度值—θ——光束与光学窗口的夹角λMa——马赫数—n——折射率—Ne——牛顿数—O OPD——光程差OPDrms——光程差空间均方根值——光程Pr——普朗特数—PSNR——峰值信噪比 r——单锥平面侧窗光学头罩的头部半径R——单锥平面侧窗光学头罩的尾部半径Re——雷诺数—Rc——相机的空间分辨率—Rt——时间分辨率—Rw——波前传感器的空间分辨率—Sr——斯特劳哈尔数—SNR——信噪比 ——斯特列尔比—SSIM——结构相似性 Smax——风洞试验模型及其支撑件的最大横截面积S0——风洞试验段的横截面积τx,y,zX,Y,Zγ—ψ——湍流长度尺度表2飞行器模型气动光学效应风洞试验6——位置探测器——波前传感器开展飞行器模型气动光学效应风洞试验时，要保证飞行器模型附近流场和实际飞行状态牛顿数Ne和斯特劳哈尔数Sr等。开展飞行器模型气动光学效应风洞试验时，应优先保证马赫气动光学效应风洞试验系统的一般布局——一种飞行器模型气动光学效应风洞试验平7气动光学成像测试系统一般由风洞、飞行器模型、光学玻璃、目标靶标、平行光源（可气动光学畸变波前测试系统一般由风洞、飞行器模气动光学光束抖动测试系统一般由风洞、飞行器模红外光）和高速相机（或者位置传感器）组成。试验时，平行光源产生的光束经过流场后进8max/n≤0.5%，气源的绝对湿度≤0.1%，除水蒸针对风洞试验段来流条件，充分考虑测试时的光路积分效应，设计待测模型支撑结构和对抑制风洞试验平台开展飞行器模型气动光学效应风洞试验时，需同步获取风洞平台和测试装置的振动频谱9a)采集频率fs：根据探测器工作状态参数确定，优于50Hz；c)曝光时间τ：根据试验需要确定，一般可分为长曝光(τ远大于流动的特征时间短曝光(τ远小于流动的特征时间）和适中曝光(τ与流动的特征时间具有相同量级对气动光学畸变波a)波前测试通常采用波前传感器（WavefrontSensor,WFSb)波前测试精度：优于λ/30；c)波前测试灵敏度：优于λ/100；d)波前采样频率fs：根据试验需求确定，一般应≥10Hz；f)波前测试设备的空间分辨率Rw：一般应根据试验流场中最小涡结构的尺度确定，以g)波前测试设备的时间分辨率Rt：一般应根据试验流场中运动最快涡结构的速度来确对气动光学光束抖b)采样频率fs：≥100kHz；d)光束直径（或者说光学孔径，用AD表示）的选取根据试验需求确定的特征尺度Ψ)测得的是当地抖动；气动光学成像试验数I——图像中像素的灰度值；j分别是图像中像素的行数和列数。M——图像长度上的像素个数；N——图像宽度上的像素个数；g(i,j)——原始图像在(i,j)处的灰度值；f(i,j)——去噪后的图像在(i,j)处的灰度值。c)峰值信噪比（PSNR）表示信号最大可能功率和影响它的表示精度的破坏性噪声功率Max——图片能表示的最大像素值；MSE——图像均方差。d)斯特列尔比（SR）是在有/无波相差的情况下光学系统艾里斑处光强的比值，用于表I0——光线穿过无畸变流场后的光强；Imax——最亮的亮度；Imin——最暗的亮度。Gx——像素点(x,y)处Sobel边缘检测算子在水平方向的卷积；Gy——像素点(x,y)处Sobel边缘检测算子在垂直方向的卷积。x——风洞启动前图像；Ix——对应图像的亮度平均值；σy——两张图像的标准差；σxy——协方差；气动光学畸变波前试验数OPDhigh-order=OPD-OPDunsteady-tilt(9)气动光学光束抖动试验数a)如果光斑采集是依靠相机完成的，那么采用a)中的方法提取光斑质心位置的c)模型连接处无逆向阶差，顺向阶差≤0.05mm，模型间的安装间隙≤）；在试验前准备基本完成的基础上，针对不同目的的气动光学效应风洞试验进一步细化试反映了流场对于光线的偏折情况，其实质上等价于波前的表面梯度值。基于此梯度值，通过(a)Δ/mm(b)OPD/λ(c)OPDunsteady-t/λλ信号的功率谱分析结果来看，测得K-H不稳定涡的特征频率为46.875kHz。