基于舰船尾流激光雷达的Monte Carlo模型及方差消减方法研究

对舰船尾流激光散射机理及探测过程的数值模拟是研究舰船尾流激光探测与制导的重要基础.首先分析了Monte Carlo方法引入到尾流激光雷达数值模拟领域研究的可行性.结合自行研制的尾流激光雷达实际参数,建立了尾流激光探测的Monte Carlo数值仿真模型.通过对仿真结果进行统计,深入剖析了仿真结果方差大及光子利用率低等问题的成因.为解决该问题,基于有偏采样理论和分裂-轮盘赌基本原理提出了接收光学视场内光子强行碰撞方法和以光子自由程总长度为准则的光子分裂方法,并进行了两方法的融合.仿真与实验结果的对比分析表明,提出的模型仿真结果与实验数据符合较好,验证了模型的正确性;提出的接收光学视场内光子强行碰撞方法和光子分裂方法能有效减小方差并提高光子利用率;解决了Monte Carlo方法引入到尾流激光雷达模拟过程中的适用性问题.     

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.     

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.     

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.     

光学相关论题 海洋光学

P733.32006010787海水及模拟尾流气泡的激光背向散射特性实验研究=Ex-peri ment study of optical back scattering characteristic ofthe seawater and si mulated wake bubble[刊,中]/张毓芬(大连测控技术研究所.辽宁,大连(116013)),王慧丽…∥光电子技术与信息.—2005,18(4).—65-68开展了海水及模拟尾流气泡的激光背向散射特性实验研究,对确定感知舰船尾流的光学参量,从散射信息中分离出光尾流特性信息,验证尾流光散射特性模型有重要意义。讨论了海水及气泡群的激光背向散射特性实验研究,给出了实验结论。图9参6(严寒)光学相关论题 海…     

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.     

Monte Carlo方法模拟光在生物组织中传播的新进展

Monte Carlo方法已被广泛用于模拟复杂的随机介质如生物组织中光的辐射传输.在生物光子应用中,早期的Monte Carlo模拟模型忽略了光在组织中传输的波动性,而用中性粒子光子包来模拟其传播过程.然而,许多光学诊断技术是基于光在组织中的偏振效应和多重散射的相干性来揭示组织的生理和病理信息,这就要涉及光辐射的波动性.本文阐述了用Monte Carlo方法模拟光在生物组织中传播的最新进展.     

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...     

舰船尾流激光后向散射特性研究

根据尾流气泡群的密度随深度和时间的变化规律以及尾流气泡的浮升运动规律,建立了一种尾流气泡分布模型。基于单个气泡的米氏散射理论,利用多层介质蒙特卡罗模拟方法,对I,IA,IB类海水下的尾流气泡激光后向散射特性进行了模拟。对激光发射深度分别位于海面以下20m和30m处,综合考虑浮游植物影响的散射结果进行了分析。结果表明,沿尾流纵向,由尾流远区到舰船尾流中心区的激光后向散射逐渐增强;海水中浮游植物对后向散射光有显著影响。同时也证明了可利用尾流气泡群的激光后向散射做为鱼雷的引信。     

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%.     

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.     

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。     

Monte Carlo Simulation of Optical Properties of Wake Bubbles

Based on Mie scattering theory and the theory of multiple light scattering, the light scattering properties of air bubbles in a wake are analysed by Monte Carlo simulation. The results show that backscattering is enhanced obviously due to the existence of bubbles, especially with the increase of bubble density, and that it is feasible to use the Monte Carlo method to study the properties of light scattering by air bubbles.     

尾流后向散射光功率衰减特性研究

依据Mie理论光散射在0°和180°有明显增强的结论，应用自行设计的模拟尾流后向散射光功率实验系统在632.8 nm He-Ne激光器直接照明和扩束后照明两种条件下，对模拟尾流后向散射光功率衰减特性进行了研究.结果表明,用后向散射光功率进行探测时，考虑到散射光在水中传播的衰减，对近距离分布的气泡，使用扩束光照明效果较好；对较远距离分布的气泡，使用细光束照明效果较好，其可探测的距离要比扩束光远.     

基于图像方法模拟尾流气泡分布特性的研究

舰船尾流中气泡对尾流特性研究起着重要的作用,研究气泡数密度分布对于追踪舰船有着重要意义.用图像方法来研究气泡,具有直观、简便的优点.采用激光片光源限定采样区域,利用数学形态学的方法对气泡图像进行了处理.通过剪切、变灰度、调整照明和亮度、填充、膨胀、腐蚀等操作获得理想的图像并进行统计.用上述方法对记录气泡消散过程的图片进行处理,可以看出气泡的消散过程基本符合指数衰减的规律.     

Experimental investigation on wake profile detection based on laser scattering by bubbles

The optical system for detecting wake profiles based on laser backscattering by bubbles at 180° is reported, in which the monostatic optical geometry is adopted and the power density estimation is used to process bubble scattering signal.     

应用短时Fourier变换对尾流光学信号分析

为弥补声探测尾流的不足,利用激光的独特优势,采用激光探测舰船尾流的方法.根据光信号的随机特性,确定了信号的分析方法:短时Fourier变换.在信号的时-频分布图中,表征了信号频率随时间的变化关系.通过对气泡幕光学信号时-频图的分析,推测舰艇尾流的强弱.把这种探测手段应用于鱼雷自导,可提高鱼雷的作用距离、减小鱼雷半径,增强战斗力.