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气动光学模拟中一种弱散射模型的研究及其计算

Study of a weak scattering model in aero-optic simulations and its computation.

作者信息

Xu Lingfei, Zhou Zhichao, Ren Tianrong

出版信息

J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis. 2017 Apr 1;34(4):594-601. doi: 10.1364/JOSAA.34.000594.

DOI:10.1364/JOSAA.34.000594
PMID:28375329
Abstract

Atmosphere optic statistical modeling cannot be used to analyze aerodynamic flow laser beam propagation characteristics without accounting for the density spectrum of the refractive index. However, numerical simulations support the analysis of these characteristics through ray tracing, random-phase-screen diffraction modeling, and Maxwell-equation-based scattering modeling. We analyzed the laser-beam propagation in aero-optics using the Maxwell-equation-based scattering model. Three approaches offer solutions to Maxwell's equations in statistically inhomogeneous media: high-order numerical differentiations with paraxial approximation and Runge-Kutta methods, Born-approximated scattering potential integral equations, and Rytov-approximated scattering potential integral equations. We performed high-accuracy calculations of the numerical integral equation using GCV-FFT. Finally, we analyzed the laser-beam propagations using these methods for a 2.9 Ma turbulence boundary layer (TBL) flow, the refractive index of which was obtained by direct numerical simulation (DNS) of the N-S equation.

摘要

在不考虑折射率密度谱的情况下,大气光学统计建模无法用于分析气动流激光束的传播特性。然而,数值模拟通过光线追踪、随机相位屏衍射建模以及基于麦克斯韦方程的散射建模来支持对这些特性的分析。我们使用基于麦克斯韦方程的散射模型分析了航空光学中的激光束传播。有三种方法可用于求解统计非均匀介质中的麦克斯韦方程:采用傍轴近似和龙格 - 库塔方法的高阶数值微分、玻恩近似散射势积分方程以及里托夫近似散射势积分方程。我们使用GCV - FFT对数值积分方程进行了高精度计算。最后,我们使用这些方法分析了马赫数为2.9的湍流边界层(TBL)流中的激光束传播,该湍流边界层的折射率是通过对N - S方程进行直接数值模拟(DNS)获得的。

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