致  谢 42

参考文献 43

1  绪论

气动光学是一门迅速发展的军民两用并具广泛应用前景的新型交叉学科， 它涉及光学、流体力学、工程热物理、光电子学、计算机与信息信号处理以及材料科学等多学科领域。本文主要从光学和流体力学方面对气动光学的发展状况做一个大体的综述，为以后的研究工作做准备。

1.1  气动光学的梗概

沿光束传输的路径将气动光学进行了划分，大体上分为五个部分：1）在激光器(或相机/望远镜）中；2）在屏蔽流中(屏蔽流是将激光与外界传输路径分开的流层），如ADw；3）在光束传输管中；4）在光束传输管末端和当地环境(如飞行器表面的流场中）之间的区域内：5）在大气中[1]。

平行光束传播时，经过“观察孔径”A，通过一个折射率变化的湍流场导致其波面有一个随时间变化的扭曲，光波面如图1所示。这些相差导致那些利用观察孔径上的光学信息的光学系统的准确度的降低。

图1   由变折射率场引起的平面波面畸变

这种系统性能的降低是由湍流引起的，折射率变化流场可以由远场辐射图样的分析去定量。光穿过这样一个随时间变化的扭曲的场，致相差场会在“近场”的短光路（例如路径长y，和A差不多），或者在延长路径（例如路径 ）的地方产生。要注意的是，这里的“近场”在准直光束出射孔径附近的致相差液体结构或者在成像系统的接收孔径处。不能和物理光学中的“近场”混淆，那是用菲涅尔近似而不能用夫琅禾费近似的地方。前者，通常把短路径相差（近场）称为“气动光学”，后者，把长路径相差称为“大气传播”。这种分类有它们的根源，在一些特殊的应用场合它们相互有联系。

气动光学所研究的领域相当广阔和复杂，它贯穿了从激光的产生，发射到传输到目标的全过程。到目前为止，尚缺乏统一的，完善的理论和研究方法。由于大气光学理论比较成熟，大气光学的许多光学理论已经在气动光学的研究中得到了借鉴，尤其在湍流扰动的研究方面。然而气动光学的研究更多涉及的是超音速气流。在超音速气流中，往往存在激波，膨胀波等复杂的波系；存在边界层，混合层/剪切层；当然高速的气流引起的大Reynolds数也必然导致了高速的湍流的存在。对于这样一类与高速气流相关的光学问题，流体动力学过程的研究变得相当重要。我们知道，流体动力学无论在低速流体还是超音速流体的时稳解方面已经相当成熟，而对于随机扰动过程的求解，尤其是超音速随机过程的求解在许多情况下尚无能为力。因而如果从时间尺度的角度来区分高速气流中的光学扰动，则可以分为大时间尺度或时稳扰动如激波、混合层等，和小时间尺度或快变化扰动如湍流[2][3]。如果以光束束径D为空间尺度的衡量，与D相当的扰动为大尺度扰动，而远小于D的扰动为小尺度扰动，则激波等引起的大时间尺度或时稳扰动正好在空间尺度上也是大尺度扰动；而湍流引起的小时间尺度扰动在空间尺度上也是小尺度扰动。一般情况下，气动光学将大尺度扰动称为有序扰动，而小尺度扰动称为随机扰动。对于大气中的气动光学问题，由于大气的湍流在空间尺度上属于大尺度扰动。早期的强激光大气传输处理在相屏法中均将两种扰动的相屏线叠加，而实际上由于强激光引起大气的温升，会改变湍流的状态，湍流的运动会破坏热晕的有序扰动，这就是所谓的热晕湍流相互作用[4]。这又为气动光学在大气中的研究添加了新的内容。