一种基于图像处理技术获取尾流特性的新方法

提出了一种利用图像处理手段获取舰船尾流中气泡大小和密度的新方法.该方法对利用高速数字摄影设备拍摄的尾流图像进行处理；具有直观、实时、高效等特点，可以方便地应用在实际的工程项目中.     

基于多重散射强度和偏振特征的舰船尾流气泡激光探测方法

研究多重散射效应对舰船尾流气泡群光散射强度和偏振特征的影响是舰船光尾流探测以及新型光自导鱼雷研究的基础. 基于矢量Monte Carlo方法建立了舰船尾流气泡群激光后向探测仿真模型, 重点研究了尾流气泡群的多重散射机理,分析了多重散射效应、尾流气泡群密度对回波信号强度和偏振特征的影响规律. 基于粒子碰撞重要性抽样的基本思想, 在传统能量接收方法的基础上, 提出了回波光子偏振贡献接收方法和回波信号偏振信息统计方法, 解决了小视场系统光子返回概率低无法形成回波能量的难题. 构建了模拟尾流气泡群激光散射强度和偏振探测实验平台, 从实验的角度验证了模拟结果的准确性. 实验和模拟结果的一致性表明, 利用回波强度、偏振信息可表征气泡群距离、密度信息, 从而可对舰船尾流特别是低密度尾流进行高精度的探测和辨识. 关键词： Monte Carlo 偏振 多重散射 气泡     

采用脉冲激光探测模拟的舰船气泡尾流

分析了基于后向散射的脉冲激光舰船气泡尾流探测方法,设计并研制了基于该探测方法的实验装置,并在大型水池中对模拟的气泡尾流进行了探测,实验结果表明,该实验装置可以较好地探测到模拟的舰船气泡尾流.     

高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究

气泡在许多不同过程中起着重要作用.舰船尾流中的气泡提供了这样一个线索,即基于对气泡的特性研究,并以此对舰船进行追踪是一种独特的方法.用高速摄影技术来研究气泡,具有直观、低费用的优点,配合以半自动胶片判读仪,可获得较为详细的关于气泡的参量.实验结果表明,水中气泡上升速度的大小都在随时间减小,气泡的末速度存在一极值,它与一定大小的气泡相对应.文中详细讨论了水中气泡的动力学特征,并与高速摄影所得到的气泡图象数据进行了比较,其结果的一致性肯定了高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究中的重要性     

舰船远场尾流气泡分布特性的数值模拟

为了了解舰船尾流中气泡的分布特征,为激光探测舰船尾流提供依据,建立了计算热分层环境中舰船远场尾流中气泡数密度分布的数学模型,该模型由抛物化的RaNS方程及气泡输运方程组成,采用k－ε两方程湍流模式.利用该模型数值模拟了舰船尾流中的气泡数密度分布特征、气泡尾流宽度扩展规律,气泡数密度衰减规律,并与实测结果进行了比较,二者定性符合得较好.数值模拟表明舰船尾流中半径为10~30 μm的气泡存活时间最长, 为了确保能在距船尾5 km处还能探测到舰船气泡尾流,其探测的对象应以半径10~30 μm的气泡为主,并且探测准确度至少应能达到识别出初始截面上气泡数密度的3%.     

舰船尾流气泡后向光学检测方法研究

为探索舰船尾流后向光学检测方法,研究了尾流气泡对水中激光脉冲后向散射特性的影响。首先基于Fournier Forand 体积散射函数,利用蒙特卡罗(Monte-Carlo)方法理论分析了近距离尾流气泡对激光脉冲后向散射特性的影响。然后,采用蓝绿激光脉冲作为光源,实验研究了模拟尾流气泡对激光脉冲后向散射信号的影响。研究表明,尾流气泡的存在会使得激光脉冲后向散射信号前沿位置在时域左移,后沿位置在时域右移,信号时域宽度增加,能量增强,峰值增大且位置在时域左移。最后根据研究结果提出了一种基于激光脉冲后向散射信号特征变化的舰船尾流气泡后向检测方法。     

基于图像处理的模拟尾流气泡幕分类识别

提出了一种应用数字图像处理技术对模拟尾流气泡幕分类识别的新方法.文章介绍了BP神经网络的基本结构及其工作原理,通过仿真测试了BP神经网络对模拟尾流气泡幕图像的模式分类.应用灰度图像统计矩法得到了均值﹑归一化系数﹑三阶矩﹑一致性和熵等特征量,设定神经网络学习率为0.1时经过14次循环可以达到训练目标误差为0.001,此时网络对不同压强下的尾流气泡幕分类正确率到达100%.这种方法在处理尾流图像时具有直观、高效、精确等特点,易于应用于对尾流探测、识别等工程技术中.     

舰船尾流气泡层散射相位函数及其后向散射信号特性分析

根据实测舰船的尾流气泡分布模型,利用米氏理论计算得到尾流气泡层的散射相位函数,并将其应用于尾流气泡层后向散射光接收信号的Monte Carlo仿真分析中,以便为实际海况下的舰船尾流气泡层后向散射光探测的实验设置与信号预测、分析提供可靠的依据.通过对不同距离处尾流气泡层的散射相位函数及后向散射光接收信号特性的分析,可以得出:尾流中气泡层散射相位函数的变化小明显,且对接收信号的影响较小;气泡数密度的变化导致的多次散射效应和气泡层衰减系数的变化是引起后向散射光强度变化的主要原因,数密度越大,散射光信号中的多次散射光成分越大;当气泡层厚度达到一定倍数的衰减长度时,继续增加气泡层厚度对后向散射接收信号的影响较小.     

舰船远程尾流的散射光能量分布特性

为探索光尾流的探测和自导模式,研究了舰船远程尾流中气泡群的散射光能量分布特性.根据米氏理论推导了舰船尾流气泡群的光散射能量分布函数的计算公式,基于此公式对干净的尾流气泡群和覆盖着两种典型有机膜的脏尾流气泡群的能量分布函数进行了数值计算,得到了它们的能量分布特性.计算和分析结果表明,气泡群的前向光散射能量远大于后向散射,前向散射能量占总散射能量的90%以上;散射能量分布函数在小于1°的前向小角度散射角范围内迅速增加到40%以上,然后随散射角的增加缓慢增加;气泡表面附着的有机膜会较显著的增强气泡群的后向散射能量.但由于后向散射能量占总散射能量的比例很小,有机膜对前向散射能量的减小幅度不大.     

激光脉冲宽度对远距离尾流气泡后向检测的影响

为了分析激光脉冲宽度对远距离尾流气泡后向检测的影响,基于Fournier Forand体积散射函数,通过Monte Carlo方法建立了水中激光脉冲后向散射信号时域特征的分析模型.利用该模型研究了初始激光脉冲宽度不同时,水中远距离舰船尾流气泡的激光脉冲后向散射信号变化情况.结果表明:随着初始激光脉冲宽度的增加,后向散射信号中水体散射信号与尾流气泡回波信号的轮廓变得模糊|当脉冲宽度增大到一定程度时,无法从后向散射信号中辨别出回波信号|并且,随着尾流区气泡散射强度的减小以及气泡区与检测器之间距离的减短,这种变化趋势变得更加明显.基于仿真结果,提出一种基于逆卷积运算的尾流气泡回波信号提取方法.     

基于互相关的气泡速度的测量方法研究

通过对比互相关技术和多普勒技术的差别，从一个新的角度把互相关技术应用于尾流测速的研究中.实验中利用高速CCD相机拍摄模拟尾流图像.利用快速傅里叶变换实现互相关算法，为提高计算准确度采用高斯曲线拟合互相关函数的峰值并给出拟合公式，得到了亚像素级的运动速度.为标定互相关算法的准确度，文中采用图像平移的方法验证算法的可行性和可靠性.最后把算法应用于模拟尾流的实验中.该方法有望在舰船尾流速度信息的实时获取上起到重要的应用价值.     

舰船尾迹光学信号特征的直方图提取方法

 现有舰船尾迹光学信号特征提取方法普遍存在运算复杂、处理速度不快等问题,研究基于直方图分析的舰船尾迹光学信号特征快速提取方法。根据舰船尾迹图像直方图具有明显的双峰特征,提出用峰值点分布密集程度Δkdd和尾迹区与海水背景区像素灰度值均值比Ci2个参数来表征舰船尾迹光学信号特征强度,通过专门研制的海上特征提取实验装置进行特征提取实验分析。分析结果表明：这2个参数能定量可靠地描述舰船尾迹光学信号特征强度的变化规律,并且在特征提取中具有简单快速的优势,从读进一张舰船尾迹图像到利用MATLAB软件计算出其特征参数值,电脑处理时间约为0.07 s。     

真实尾流的光学特性

在实验室对模拟尾流气泡幕研究的基础上,设计了用于真实尾流测试的水下实验系统通过对千湖1号船在不同航速下尾流的几何特征进行观察和分析计算,得到了尾流深度、宽度与航速的关系,并且对尾流的水面宽度以及散开角进行了估计.在5km/h,10km/h和15km/h的航速下对尾流不同几何部位的激光透射强度进行了测量,结果与理论计算基本一致.从透射光的相对强度来分析实验结果,可以认为自然光的影响是一个次要因素.     

Influence of wake bubbles on optical impulse scattering echo

The model of the optical impulse scattering echo based on Mie theory and backscattering properties of bubble populations is presented. The experimental results of optical impulse scattering echo for a ship in the ocean is in agreement with the simulated experiment. The wake bubbles significantly influence the laser scattering echo process in the ocean. When the testing system is outside the wake, the distinct scattering echoes of interface between wake bubbles and water are received. When the testing system is inside the wake, the intensity of the echo attenuates with the increased scattering of wake bubbles. These phenomena of laser echoes in different periods are analyzed.     

Electromagnetic scattering model of the Kelvin wake and turbulent wake by a moving ship

Taking the attenuation character of the Kelvin wake and the limitation of the traditional two-scale method into account, the practical electromagnetic (EM) scattering model of the Kelvin wake is obtained by using a facet-based model; and for a turbulent ship wake, it is produced by dealing with the wave energy loss rate due to turbulence with the width of turbulent wake closely following a moving ship. The volume scattering theory of foam or bubbles, by using the vector radiation transfer equation, is introduced to modify the traditional two-scale method, a special method for the EM scattering of a turbulent wake, which brings the scattering of ship wakes into better agreement with the real situation.     

On the presence of spectral shortcut in the energy budget of an asymmetric jet–wake flow in a forward-curved centrifugal turbomachine as deduced from SPIV measurements

Viscous dissipation and its contribution to turbulent kinetic energy (TKE) budget are investigated in the asymmetric jet–wake flow of a forward-curved centrifugal turbomachine. Single-plane three-dimensional turbulent data are obtained using stereoscopic particle image velocimetry (SPIV). Viscous dissipation is indirectly estimated from subgrid-scale (SGS) dissipation (SGS energy flux) by filtering velocity field using a top-hat filter. The filter scale should be within the inertial sub-range and this is ensured by spectral analysis of the measured field. Reduction of turbulent energy flux for smaller filter scales plus underestimation of viscous dissipation as compared with other TKE terms both suggest the presence of spectral shortcut. This bypass energy transfer (from intermediate scales towards dissipative scales) works in parallel with direct SGS energy transfer and affects the classical energy cascade. Analysis of TKE budget in the rotor exit region shows significant radial/circumferential variations in the contributing terms. These variations are mainly due to jet–wake–volute interactions, circumferential asymmetry of volute area and expansion of flow toward the fan outlet.     

基于锁相放大的激光尾流场探测技术研究

尾流场是舰船在航行过程中所形成的一个含有大量微气泡而与其他水域所不同的区域,通过对尾流光学特征的研究,提出了一种采用双路锁相放大技术对尾流信号进行检测的方法。该方法利用互相关原理,使输入待测的周期信号与频率相同的参考信号在相关器中实现互相关,从而检测出深埋在噪声中的周期信号携带的信息,为消除激光尾流检测系统中激光器的漂移问题提供了途径,可达到抑制噪声,提高系统检测的灵敏度、可靠性和检测尾流的目的。