气泡浓度对海洋激光雷达后向散射特性的影响

对不同浓度气泡幕水下激光雷达的后向散射特性进行了理论分析和实验研究。实验结果表明：由于水中气泡群后向散射的原因,在水下激光雷达整体后向散射信号的回波曲线上,除了水体后向散射导致的信号峰以外,还出现因气泡散射而导致的散射峰,该散射峰叠加在水体的后向散射信号峰上,其位置与水中气泡幕的位置直接相关,而其幅值则受气泡幕的浓度影响。随着气泡幕浓度的增大,其后向散射峰幅值相应增大,这一点与理论分析结果一致,而回波峰值的变化趋势则主要受水体质量的影响。     

激光雷达回波信号的蒙特卡罗模拟研究:Ⅰ.均匀薄雾的多重散射强度分布

本文简要报道了激光雷达回波信号及多重散射强度分布的蒙特卡罗模拟计算结果。激光雷达系统采用共轴设计,计算中采用具有一定厚度、均匀分布的球形薄雾粒子来模拟大气环境,研究了粒子尺寸对回波信号的影响,获得了不同粒子半径、不同接受视场角条件下多重散射信号强度分布的经验公式。以上两套经验公式具有良好的校正系数,可以直接用于激光雷达系统设计中多重散射效应的研究,节省大量的模拟计算时间,提高设计效率。     

激光雷达回波信号的蒙特卡罗模拟研究:I.均匀薄雾的多重散射强度分布(英文)

本文简要报道了激光雷达回波信号及多重散射强度分布的蒙特卡罗模拟计算结果。激光雷达系统采用共轴设计 ,计算中采用具有一定厚度、均匀分布的球形薄雾粒子来模拟大气环境 ,研究了粒子尺寸对回波信号的影响 ,获得了不同粒子半径、不同接受视场角条件下多重散射信号强度分布的经验公式。以上两套经验公式具有良好的校正系数 ,可以直接用于激光雷达系统设计中多重散射效应的研究 ,节省大量的模拟计算时间 ,提高设计效率     

激光气象雷达多次后向散射信号特性分析

利用小角近似方法，分别给出了单次和多次后向散射激光雷达方程.通过引入的多次散射评价参量，分析了接收视场角和光学厚度等因素对多次后向散射信号的影响.理论研究表明:多次后向散射主要与接收视场角和光学厚度密切相关，当接收视场角比发射视场角大10倍，光学厚度超过3时, 多次后向散射信号逐渐增大并占主要优势，当接收视场角比发射视场角大100倍时，光学厚度超过1时，多次后向散射信号开始明显增强.     

激光在水中气泡微粒的后向散射特性

从激光能量、目标位置、视场大小及气泡厚度等方面对气泡后向散射特性进行研究.采用实验方法研究脉冲激光气泡后向散射特性.实验结果表明,增大激光能量在一定程度上可以有效地改善气泡探测的效果,而气泡发生器位置和视场的合理选择使得气泡探测更容易些,气泡区域厚度的变化对气泡后向散射并没有明显的影响.该实验结论与蒙特卡洛数值模拟的结果一致.     

光束在尾流气泡中传输的复散射效应

为了了解光束在尾流气泡中的传输特性,为前向光尾流的探测提供理论依据,研究了光束在尾流中传输时传播方向上和横截面方向上的辐射强度分布特性.基于辐射传输方程的小角度近似解,得到了探测截面上的约化强度和漫射强度的表达式,其中漫射强度表征了复散射的强弱;针对典型的尾流气泡分布,通过数值计算分析了光束传输方向上的约化强度和漫射强度与接收视场角、光学厚度和光束大小的关系,也计算分析了光束横截面方向上的辐射强度随光束大小和横向距离的变化关系.结果表明,光束在尾流气泡中传输时复散射效应明显,且复散射的强弱与接收视场角、光束直径、光学厚度和横向距离密切相关.     

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     

脉冲宽度对云雾回波的影响研究

云雾后向散射会产生引发激光引信虚警的回波信号.基于蒙特卡罗法,对云雾散射回波进行了模拟仿真,并定量给出了云雾散射回波的波形、波峰位置、脉宽和峰值功率随发射脉冲宽度的变化规律.研究结果表明,回波峰值功率随着发射脉宽的增大而增大,且当发射脉宽增大到50ns后趋于饱和,峰值功率将不随脉冲宽度的变化而变化;脉冲展宽的程度随发射脉宽的增大而减弱;发射脉宽对云雾散射回波波峰位置的影响较小.给出的回波信号模拟仿真结果可以为窄脉冲激光引信的目标识别以及探测阈值和脉冲宽度等参量的优化设计提供依据.     

光束在尾流气泡中传输的复散射效应

为了了解光束在尾流气泡中的传输特性,为前向光尾流的探测提供理论依据,研究了光束在尾流中传输时传播方向上和横截面方向上的辐射强度分布特性.基于辐射传输方程的小角度近似解,得到了探测截面上的约化强度和漫射强度的表达式,其中漫射强度表征了复散射的强弱|针对典型的尾流气泡分布,通过数值计算分析了光束传输方向上的约化强度和漫射强度与接收视场角、光学厚度和光束大小的关系,也计算分析了光束横截面方向上的辐射强度随光束大小和横向距离的变化关系.结果表明,光束在尾流气泡中传输时复散射效应明显,且复散射的强弱与接收视场角、光束直径、光学厚度和横向距离密切相关.     

脉冲宽度对云雾回波的影响研究

云雾后向散射会产生引发激光引信虚警的回波信号,基于蒙特卡罗法,对云雾散射回波进行了模拟仿真,并定量给出了云雾散射回波的波形、波峰位置、脉宽和峰值功率随发射脉冲宽度的变化规律.研究结果表明,回波峰值功率随着发射脉宽的增大而增大.且当发射脉宽增大到50ns后趋于饱和,峰值功率将不随脉冲宽度的变化而变化:脉冲展宽的程度随发射脉宽的增大而减弱;发射脉宽对云雾散射回波波峰位置的影响较小.给出的回渡信号模拟仿真结果可以为窄脉冲激光引信的目标识别以及探测阈值和脉冲宽度等参量的优化设计提供依据.     

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.     

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.     

非完整阵列接收下的虚拟接收目标定位技术

在浅海近似绝热环境中,利用虚拟接收方法对声源测距的目标定位方法相比于传统的匹配场定位方法可以避免对环境参数和声场模型的依赖,同时省去生成拷贝场时的大量计算·利用虚拟接收方法对声源测距主要是通过估计虚拟声场干涉条纹的斜率进行定位,而非完整阵列接收相当于引入了干扰项,破坏了虚拟声场干涉结构。引入了一种基于图像Hessian矩阵特征值分析的多尺度线性滤波器,通过数值模拟和实验数据处理,结果表明,该滤波器可以有效地增强干涉结构、检测和提取干涉图案中的条纹信息,提高非完整阵列接收条件下的虚拟接收目标定位技术的测距性能。      

含气泡液体中气泡振动的研究

研究了含气泡液体中单个气泡在驱动声场一定情况下的振动过程. 让每次驱动声场作用的时间特别短, 使气泡半径发生微小变化后再将其变化反馈到气泡群对驱动声场的散射作用中去, 从而可以得到某单个气泡周围受气泡散射影响后的声场, 接着再让气泡在该声场作用下做短时振动, 如此反复. 通过这样的方法, 研究了液体中单个气泡的振动情况并对其半径变化进行了数值模拟, 结果发现, 在液体中含有大量气泡的情况下, 某单个气泡的振动过程明显区别于液体中只有一个气泡的情况. 由于大量气泡和驱动声场的相互作用, 使气泡半径的变化存在多种不同的振动情况, 在不同的气泡大小和含量的情况下, 半径变化过程分别表现为: 在平衡位置附近振荡的过程; 周期性的空化过程; 一次空化过程后保持某一大小振荡的过程; 增长后维持某一大小振荡的过程等. 所以, 对于含气泡液体中气泡振动的研究, 在驱动声场一定的情况下, 必须考虑气泡含量的因素. 关键词： 含气泡液体 超声空化 散射 数值模拟     

Theoretical prediction of the scattering of spherical bubble clusters under ultrasonic excitation

Due to the nonlinear vibration of ultrasound contrast agent bubbles, a nonlinear scattered sound field will be generated when bubbles are driven by ultrasound. A bubble cluster consists of numerous bubbles gathering in a spherical space. It has been noted that the forward scattering of a bubble cluster is larger than its backscattering, and some studies have experimentally found the angular dependence of a bubble cluster’s scattering signal. In this paper, a theory is proposed to explain the difference of acoustic scattering at different directions of a bubble cluster when it is driven by ultrasound, and predicts the angular distribution of scattered acoustic pressure under different parameters. The theory is proved to be correct under circumstances of small clusters and weak interactions by comparing theoretical results with numerical simulations. This theory not only sheds light on the physics of bubble cluster scattering, but also may contribute to the improvement of ultrasound imaging technology, including ultrasonic harmonic imaging and contrast-enhanced ultrasonography.     

Electromagnetic articulograph based on a nonparametric representation of the magnetic field

Electromagnetic articulograph (EMA) devices are capable of measuring movements of the articulatory organs inside and outside the vocal tract with fine spatial and temporal resolutions, thus providing useful articulatory data for investigating the speech production process. The position of the receiver coil is detected in the EMA device on the basis of a field function representing the spatial pattern of the magnetic field in relation to the relative positions of the transmitter and receiver coils. Therefore, the design and calibration of the field function are quite important and influence the accuracy of position detection. This paper presents a nonparametric method for representing the magnetic field, and also describes a method for determining the receiver position from the strength of the induced signal in the receiver coil. The field pattern in this method is expressed by using a multivariate spline as a function of the position in the device's coordinate system. Because of the piecewise property of the basis functions and the freedom in the selection of the rank and the number of the basis functions, the spline function has a superior ability to flexibly and accurately represent the field pattern, even when it suffers from fluctuations caused by the interference between the transmitting channels. The position of the receiver coil is determined by minimizing the difference between the measured strength of the received signal and the predicted one from the spline representation of the magnetic field. Experimental results show that the error in estimating the receiver position is less than 0.1 mm for a 14 x 14-cm measurement area, and this error can be further reduced by using a spline-smoothing technique.