基于Mie光散射理论的尾流气泡前向散射光特性研究

实验中利用CMOS图像传感器代替传统的光电探测器接受前向散射光,由几何光学和图像处理分析得出不同散射角的散射光与采集图像中的光环相对应.通过计算各个光环的所有像素值的总和就可以得到前向散射光光强的相对值,进而可以得出前向散射光光强变化规律.根据米氏（Mie）光散射理论可以计算出气泡各个方向的散射光光强,通过比较实验结果和Mie理论计算结果可以看出,采用CMOS图像传感器探测和图像处理技术可以准确地得出散射光强度的变化规律.     

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 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.     

吸收性海水中气泡光散射特性的理论研究

 给出了一种适合于吸收性介质内粒子散射的Mie级数新的表示形式。利用Mie理论研究了吸收性海水中气泡的单散射特性和气泡群的相位函数。与非吸收性海水中气泡的光散射特性相比，分析了海水折射率虚部对气泡光散射的影响。结果表明：180°后向散射的增强是气泡固有的光学性质，与所处介质无关，可以利用后向散射的增强来探测气泡。     

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.     

复合金属粒子散射强度分布的计算与分析

根据Mie散射理论,对金银复合粒子的散射强度和偏振度进行了数值计算与理论分析,得到了散射强度、偏振度与散射角、入射波长及核壳大小之间的关系。结果表明,入射波长越大,前向散射越强,易出现线偏振光;而核壳半径越大,背向散射越弱,易出现退偏振现象。该结论对金银复合材料光学特性方面的开发和应用提供理论参考。     

Light scattering by a spheroidal bubble with geometrical optics approximation

This paper proposes the spheroidal model for analyzing the light scattering characteristics of an air bubble. The angular distributions of light scattered by a large spheroidal bubble with end-on incidence are calculated using geometrical optics approximation. The divergence factor, diffraction, and phase shift are considered in the computation. The MATLAB code was developed and verified using the Mie result for a spherical bubble, and the scattering patterns of the two methods agreed well. The effects on the scattering properties are analyzed in terms of the size and shape parameter of the bubble and the incident beam width. The relations between the deviation angle and incident angle, emergent light intensity, and scattering angle are analyzed and used to explain the scattering patterns of a spheroidal bubble.     

尾流中气泡对光传播的影响

从几何光学的角度出发,针对气泡直径与光束直径之间的大小关系,分两种情况,推得了单个气泡的散射光强变化情况,以及气泡速度与散射光强之间的关系.得出散射光强的变化频率与气泡半径和速度存在一定的关系,光束的直径与气泡直径的大小关系决定光强变化的强弱.在此理论基础上,模拟了光强的变化,并与实验所得曲线相比较,验证了实际与理论的相符性.同时用短曝光、连续拍摄的数码相机对气泡进行拍摄,进一步验证了理论推导的正确性.     

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     

碳纳米粒子悬浮液光限幅性能数值模拟

碳纳米粒子悬浮液具有良好的光限幅性质,是一种优良的宽波段光限幅材料。通过热传导方程和米氏散射理论建立了微气泡半径与入射光能量、碳纳米粒子悬浮液散射系数和透过率的理论模型。采用Matlab数值模拟了散射系数随微气泡尺寸因子的变化关系,碳纳米粒子悬浮液光限幅性能随入射光能量的变化规律。研究了气泡尺寸因子、入射激光能量以及波长对碳纳米粒子悬浮液光限幅特性的影响。研究发现当激光能量达到一定值时,微气泡的半径保持恒定,不再随入射激光能量的增加而增加。微气泡尺寸的增大对碳纳米粒子悬浮液的透过率有着显著的影响。同时,碳纳米粒子悬浮液对不同入射光波长和光能表现出不同的光限幅性能。研究结果为实验研究提供了理论指导。     

激光告警散射截获距离仿真

针对近地面来袭的激光威胁源,建立基于米氏散射理论的散射探测模型。利用matlab软件对散射光光强随激光探测方向、大气能见度的变化进行了数值分析,结果表明,探测散射光最强的方向是平行于主轴传输方向,大气能见度和散射光强成非线性关系。在分析散射光强受气象条件变化的基础上,得到了不同激光威胁源情况下,激光告警的最大散射截获距离。     

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.     

微粒子的线度对Mie散射光强度影响的研究

根据Mie散射理论,研究了粒子线度对Mie散射光强的影响,不同性质的粒子,其影响效果不同,在固定入射波长条件下,散射光强随粒子线度呈周期变化,同时发现H2O微粒子散射光强峰峰间距与粒子的线度和波长的关系可简单的表示为Δa=-0.133 3+0.222λ.     

基于偏振门的动态光散射颗粒测量法的研究

为了解决动态光散射纳米颗粒测量技术无法测量高浓度颗粒粒径的难题,提出了一种基于偏振门的动态光散射测量法。从动态光散射和Mie理论出发,理论分析了在高浓度溶液下多重散射效应对散射光偏振态和颗粒粒度测量结果的影响。根据散射光偏振特点,结合偏振门检测技术,改进了传统的动态光散射光学系统。实验研究了在低浓度和高浓度溶液时,不同偏振角度下的散射光强和粒度测量值,完善了散射光的偏振理论。采用90°偏振门检偏,通过各种浓度下的实验,证明了方法的可行性。该方法较之目前同类方法具有原理和结构简单,系统易于维护的特点。     

离散泡沫的光学衰减原理研究

为研究泡沫的光学干扰原理,基于几何光学原理和电磁波传输理论,对离散泡沫的光线折射及吸收等现象进行了分析,从光线传播方向和透射能量变化的角度研究了泡沫对光线的衰减,建立了衰减模型。通过计算和红外光谱及热成像试验,发现：泡沫结构和泡沫材料是造成光线强烈衰减的重要原因。结果显示：泡沫溶液的溶质/溶剂的消光能力、浓度等对特定波段光波的吸收产生关键影响;泡沫通过改变光线的传播方向,大大分散出射光线的能量密度;随着光线穿过泡沫液膜界面的次数增多,透射光强迅速衰减,透射能量迅速下降;其漂浮运动还将导致出射光线方向和能量密度分布的不确定性。     

光在水中吸附膜层气泡上的散射特性

光在水中大尺度气泡上散射特性的研究多是基于Davis模型.该模型没有考虑到吸附膜层对光在气泡上散射的影响,而海水中的大多数气泡都有膜层附着,这些膜层会影响到气泡的光散射特性.本文从几何光学的角度出发,建立了吸附膜层气泡的体积散射函数简化公式.在此理论基础上,模拟计算了尺度远大于入射光波长的大气泡散射光强分布曲线,得出光照射下气泡上散射光强的远场特性,讨论了影响气泡散射光强分布的主要因素.并与无膜气泡光散射分布曲线比较,讨论了油膜膜厚、折射率等参量对气泡的光散射特性影响.得出结论:吸附膜层气泡的光强分布曲线与无膜气泡相似,但吸附膜层会削弱前向散射光,增强后向散射光.     

Study on shock wave-induced cavitation bubbles dissolution process

This study investigated dissolution processes of cavitation bubbles generated during in vivo shock wave(SW)-induced treatments. Both active cavitation detection(ACD) and the B-mode imaging technique were applied to measure the dissolution procedure of bi Spheres contrast agent bubbles by in vitro experiments. Besides, the simulation of SW-induced cavitation bubbles dissolution behaviors detected by the B-mode imaging system during in vivo SW treatments, including extracorporeal shock wave lithotripsy(ESWL) and extracorporeal shock wave therapy(ESWT), were carried out based on calculating the integrated scattering cross-section of dissolving gas bubbles with employing gas bubble dissolution equations and Gaussian bubble size distribution. The results showed that(i) B-mode imaging technology is an effective tool to monitor the temporal evolution of cavitation bubbles dissolution procedures after the SW pulses ceased, which is important for evaluation and controlling the cavitation activity generated during subsequent SW treatments within a treatment period;(ii) the characteristics of the bubbles, such as the bubble size distribution and gas diffusion, can be estimated by simulating the experimental data properly.     

Scattered Light Photometer for On-Line monitoring of size distribution parameters and particle number concentration

A scattered light photometer which monitors the particle number concentration of aerosols is described. The photometer measures the scattered light from illuminated submicron particle clouds with known material properties at certain scattering angles. Intensity ratios in combination with the degree of polarization are used to determine the mean particle diameter and the geometric standard deviation of an assumed log-normal particle size distribution. The determination of the particle size distribution is based on an algorithm which compares the measured and calculated (Mie theory) relative intensity quantities described. Furthermore, the particle number concentration is monitored from a single absolute intensity measurement at one scattering angle. In order to obtain quantitative results a spherical particle shape is required.     

超短激光照射下颗粒的散射效应

对两个纳米颗粒受超短激光照射时表面吸收光强的分布情况进行了研究。基于米散射理论和蒙特卡罗方法建立程序来模拟和追踪光子的运动轨迹,米散射理论主要用于确定光子的散射方向,运用兰贝特定律和解析解对模拟结果进行验证。通过对比材料为金和黑体时双颗粒的光强分布发现,颗粒的散射和激光照射宽度的增加会使颗粒相邻处的光强增大,颗粒底部的光强主要取决于颗粒的反照率大小以及散射光强的分布情况。