气流中的有效载荷与传感器测试：负载下的相机、激光雷达和天线

在实验室测试台上能生成清晰图像的相机，用螺栓固定在高速飞行的飞机下方时，并不一定能生成清晰的图像。同样，在静态测试场通过链路预算测试的天线，或者在无振动房间内能保持视线稳定的万向节，也是如此。机身周围的气流并不是中性的背景——它恰恰会降低有效载荷原本应有的性能，而且这种降低方式是台架测试无法重现的。

气流中的有效载荷与传感器测试 正是为了在实际任务中出现图像模糊或链路中断之前，弥补这一差距。

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1. 为什么台架测试还不够

有效载荷制造商自身的认证通常仅孤立地涵盖电气性能、光学分辨率和机械耐久性。它通常无法涵盖的是，当相同的硬件处于飞机湍流边界层中或整流罩尾流下游，在机身实际产生的振动频谱下，以及在实际飞行任务的温度范围内时，会发生什么。这些都是机身级别的条件，只有当有效载荷安装在——或模拟安装在——它将实际搭乘的飞行器上时，这些条件才会存在。

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2. 气动光学模糊：湍流不仅影响机身，还会降低图像质量

对于任何透过周围气流进行观测的相机、激光雷达或激光系统而言，气动光学 是相关的物理学——该研究领域可追溯到20世纪50年代，当时研究人员首次量化了湍流边界层如何扭曲穿过其中的光束。其机制很简单：湍流会引起空气密度的局部变化，密度变化会改变局部折射率，而穿过该变折射率场的波前会发生像差，不再平坦。

这种效应与波长有关，而且对现代传感器的影响比对该领域最初研究的系统更大。对于固定水平的光程畸变，使用可见光或近红外光（大多数相机和许多激光雷达使用的波段）的系统，在相同的湍流水平下，其图像质量的损失远大于旧式长波长系统——一个几乎不会影响 10.6 μm 激光器性能的畸变水平，可能会使近红外系统的斯特列尔比（Strehl ratio，衡量图像清晰度的标准，1.0 为完美）从近乎完美降至 0.67 左右。这就是为什么传感器吊舱的气动外形和安装位置与其内部的光学器件同等重要的原因之一。

气动光学效应的风洞测试是一项确立已久、有数十年历史的实践，在普通的亚音速和跨音速风洞中进行，使用基于激光的仪器（“Malley 探针”技术）来精确测量这种由边界层引起的图像退化，而这一切都在传感器实际飞行之前完成。

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3. 气流对有效载荷其他部分的影响

• 振动。 万向节或相机支架承受的是机身真实的振动频谱，而不是实验室振动台理想化的扫频——万向节稳定系统是专门针对特定频率的振动进行抑制调校的，这只有在机身实际的激励下才能正确显现。
• 发热。 吊舱或整流罩内的传感器电子设备会自身发热，而外壳周围的气流决定了这些热量是被带走还是积聚——这个问题在静态测试台和流动气流环境之间会发生彻底的改变。
• 传感器本身的结冰，而不仅仅是机身。 结冰的光学窗口或天线天线罩会比机翼更早停止工作，而积冰模式取决于该特定整流罩形状周围的局部气流。
• 整流罩形状与信号质量。 天线罩或光学整流罩是气动阻力与其所保护设备的透明度之间的折衷——如果气动形状设计错误，也会扭曲穿过其中的射频或光路。

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4. 有效载荷测试活动实际测量什么

• 在整个速度和角度范围内的图像或波前质量 ，使用为机载光学系统开发的相同气动光学仪器——而不是单一的静态基线拍摄。
• 在真实机身激励下传感器支架处的振动频谱 ，并与万向节或稳定系统自身的抑制带宽进行比较。
• 穿过实际整流罩的链路预算或光学吞吐量 ，而不是穿过裸露的孔径——外壳是传感器光学或射频路径的一部分，而不仅仅是一个盖子。
• 封闭电子设备在代表性气流下的热行为 ，而不是在静止空气中。
• 特定整流罩几何形状上的积冰情况 （当与运行包线相关时）。

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5. 我们常见的五个错误

• 将传感器和整流罩分开认证。 如果设计天线罩或光学整流罩时没有考虑传感器的实际视场和波长，即使它通过了自身的气动测试，仍然会破坏有效载荷的性能。
• 在通用振动台曲线上测试振动抑制。 针对实验室振动频谱调校的万向节，仍然可能无法应对真实机身产生的特定频率。
• 将光学测试视为仅限台架的问题。 实验室测试台上的分辨率和 MTF（调制传递函数）数据，无法说明相同的光学器件在飞行速度下、处于湍流边界层后方的表现。
• 仅根据重量和阻力而非热路径来确定外壳尺寸。 一个看起来气动外形干净的紧凑型吊舱，可能会困住内部电子设备从未被设计承受的热量。
• 因为机身结冰情况已涵盖而跳过有效载荷整流罩的结冰测试。 天线罩或光学窗口的积冰方式可能与其安装的机翼不同，且这种差异足以导致其率先失效。

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6. 这对您的集成项目意味着什么

将您的传感器套件、整流罩几何形状和运行包线发送给我们 ，我们将规划一项测试活动，测量有效载荷在气流中实际提供的性能——而不仅仅是它在测试台上提供的性能。相关阅读：

无人机结冰与气候测试

，其中整流罩的形状同样重要。

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来源与注释

• 气动光学作为研究机载光学孔径附近湍流引起的波前像差的学科，起源于 Liepmann 在 1952 年关于边界层光偏转的研究，并通过在亚音速和跨音速下使用 Malley 探针进行风洞测量而发展：Cress, J.A., Gordeyev, S., Post, M.L., Jumper, E.J., "Aero-Optical Measurements in a Turbulent, Subsonic Boundary Layer at Different Elevation Angles," AIAA 2008-4214, 39th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference, 2008，在圣母大学（University of Notre Dame）和美国空军学院（U.S. Air Force Academy）的风洞中进行了测试。
• 固定光程畸变下图像退化的波长依赖性（斯特列尔比示例：在相同畸变水平下，10.6 μm 时约为 0.996，而 ~1 μm 时约为 0.674）：同上来源，引言部分，引用了 Smith, W.J., Modern Optical Engineering, McGraw-Hill, 1966 中的斯特列尔比公式。
• 测试方法建议（振动频谱匹配、整流罩集成的光学/射频路径测试、特定有效载荷几何形状上的结冰）均为 TunnelTech 的工程实践。