水中气泡上的体散射函数的模拟与计算

基于几何光学的基本原理,推导出一种可以计算水中大尺度气泡上光散射角度与强度的关系式。推导中避免引入衰减因子G,较Davis模型更为简单。该模型可应用于光在水中单个气泡上散射的数值计算。最后,模拟计算了平行光束入射水中气泡的体散射函数曲线,发现水中气泡的前向散射远大于后向散射;当气泡半径在远大于光波波长的前提下变化时,气泡上散射光强分布规律与气泡半径无关;而介质相对折射率的增大会削弱前向散射而增强后向散射光强。     

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.     

基于蒙特卡罗模拟的散射介质中后向光散射模型及分析应用

构建了内光源模型探讨散射介质中的光散射现象,利用蒙特卡罗方法研究了逃逸出组织的后向散射光子数随光子在组织内部发生的散射次数的分布关系,探讨了光源照明方式、辐射强度、接收方式、调制等参数的变化对后向散射的影响,结果表明后向散射光子的数量随散射次数的分布并非简单的单调递增或递减,而是一条先增大后减小出现峰值的曲线. 峰值位置、峰值大小及曲线形状与光源、探测方式、组织光学特性参数等有关. 关键词： 医用光学与生物技术 散射介质 后向散射 蒙特卡罗模拟     

基于微扰近似的圆锥表面光散射*

由Hueygen原理出发,介绍了粗糙表面的光散射特性.基于微扰近似,在不考虑遮蔽效应和圆锥顶点的散射情况下,分析了圆锥物体的光散射特性,推导了圆锥物体对平面光的散射场解析表达式.计算了圆锥表面在高度起伏均方根不同情况下对1.06μm光波的散射,并且得到了入射角一定的情况下,不同观察方向的散射光强分布曲线.结果表明,在观察方位角不变时,圆锥的散射光强随观察角顶角的增加先增大后减小|在观测方位角一定时,散射光强随高度起伏均方根的增加而减小,且随观察方位角呈对称分布.     

基于微扰近似的圆锥表面光散射

由Hueygen原理出发,介绍了粗糙表面的光散射特性.基于微扰近似,在不考虑遮蔽效应和圆锥顶点的散射情况下,分析了圆锥物体的光散射特性,推导了圆锥物体对平面光的散射场解析表达式.计算了圆锥表面在高度起伏均方根不同情况下对1.06μm光波的散射,并且得到了入射角一定的情况下,不同观察方向的散射光强分布曲线.结果表明,在观察方位角不变时,圆锥的散射光强随观察角顶角的增加先增大后减小;在观测方位角一定时,散射光强随高度起伏均方根的增加而减小,且随观察方位角呈对称分布.     

模拟气泡幕激光近轴前向散射照度分布

从Mie散射理论出发,利用单气泡散射理论模型研究了激光前向散射特性以及激光前向散射光轴周围激光照度分布状态。选用波长为632.8 nm的激光,在不同介质和不同压强下测量并分析了气泡幕的散射光照度。研究表明,激光前向散射光主要分布在离光轴0.588的范围内,其沿激光光轴呈轴对称分布,并且沿光轴方向截面分布为高斯分布;在考虑水体自身散射时,0.006 MPa、0.008 MPa和0.010 MPa下,各个散射角被散射掉的光大概占激光前向散射照度的35%、45%和55%,可得到无论考虑水体自身散射与否,激光前向散射光与压强皆成反比。     

利用后向散射光空间谱强度分布探测尾流气泡的实验研究

利用自行设计制作的尾流模拟系统产生气泡，应用散射光空间频谱测量分析系统，对水中气泡群的后向散射光空间谱强度分布进行测量和分析，研究了不同探测距离的散射光衰减对其强度分布的影响.结果表明，在气泡密度、大小分布不变的情况下，扩束光照明时，由于参与光散射的气泡数目增加对散射光在水中传播衰减的补偿，散射空间谱强度分布的峰值和半宽值均不随探测距离变化；而细光束照明时，散射谱强度分布峰值随探测距离的增加而减小，半宽值则逐渐增大.所以在远距离探测时，细光束的探测效果好.     

气溶胶激光散射信号的特征分析

本文应用Mie散射理论对微球体粒子光散射的性质进行了理论分析与数值计算,得出了散射光分布与微球体尺度参数、复折射率之间的关系。结果表明:不同尺度参数的粒子的散射光强的分布相差极大,随着尺度参数的增加散射光强越来越集中于前向;复折射率的变化对散射光强影响不大。并且在边界层大陆乡村型霾的气溶胶模型下对大气气溶胶的体角散射系数进行了分析与数值计算,得出:气溶胶粒子的散射光强主要分布在前向,并且随着散射角的增加有规律的减小。由此提出了利用气溶胶粒子体散射系数的性质,通过测量散射点前向散射光强和延迟时间来实现激光束的近轴定位的方法。     

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。     

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.     

基于几何光学的泡沫滴/水滴光散射计算模型

为深入研究舰船泡沫 水两用幕的光衰减机理,建立了基于几何光学的泡沫滴/水滴光散射强度分布计算模型。利用该模型对液相折射率m2为1.20至1.50范围内、气泡相对半径r为0至0.99的球状泡沫滴和水滴、散射角为1至10内的光散射强度进行了数值计算。结果表明,泡沫滴/水滴对可见光具有强烈的散射作用,内的散射强度与入射光强度之比T随的增大而提高,最高可增加2个数量级;随m2的增大而降低,m2从1.30至1.40变化,T降幅最高达11.6%;随r的增加先下降而后提高,达到最低0和最高80.8%;T最低值对应的最优气泡半径ro随m2的降低和的增大而提高,从0.1最多增至0.4。该结论可为舰船泡沫 水两用幕技术的发展提供必要的理论基础。     

A bubble detection technique based on light intensity and Mie scattering theory for spinning solution

A novel bubble detection technique based on light intensity and Mie scattering theory for spinning solution is presented theoretically and experimentally. With the light intensity in every direction, the particle or bubble size distribution can be calculated with the Mie scattering theory. The light intensity distribution in every direction, corresponding to the light intensity received by every assumed annulus of the detector has been calculated theoretically. According to the light intensity distribution, the size distribution of bubbles can be deduced. A series of standardized polystyrene micro-sphere (with 7 μm diameter) solution has been used not only as sample for experiments and calibration, but also as the bubbles in the glycerin. Theoretical and experimental results show that the technique can be used for bubble detection, in order to improve the traditional bubble detection scheme, and to lower production costs.     

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.     

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     

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.     

降雨粒子的无线紫外光散射特性

紫外光与降雨粒子相互作用发生散射,散射光特性改变能够反映降雨粒子的相关物理特性（如粒子尺寸参数、浓度、形态）,因此研究粒子的物理参数对散射光特性的影响对有效提高光谱法定量探测降水的精度有很大意义。由于雨滴在非球形降水粒子中具有代表性,以群雨滴粒子为例,采用T矩阵理论,利用紫外光直视和非直视单次散射模型,分析了入射光波长、群雨滴粒子形态、降雨强度、粒径大小与散射光强之间的关系。并用蒙特卡洛方法仿真分析了非球形群雨滴粒子在不同降雨强度和粒径下散射角与散射光强之间的关系,以及降雨环境中的风切变对紫外光散射特性的影响。通过理论及仿真分析,得到了不同群雨滴粒子形态下的路径损耗,不同降雨强度、风切变率和粒径下的散射光强分布。仿真结果表明：在紫外光直视与非直视通信方式下,降雨环境中的通信质量比晴天条件下的通信质量差,即路径损耗增大。当粒径分布已知时,随着降雨强度的增大,衰减系数增大,路径损耗增加,且直视通信方式的路径损耗比非直视降低7 dB左右。随着降雨强度、风切变率和粒子粒径的增大,散射光强曲线整体呈下降趋势,其中,降雨强度的变化对散射光强分布影响程度最大。相同通信距离时,不同降雨强度下的紫外光散射光强分布均随着散射角的增大而减小,当散射角继续增大到90°时,有效散射体体积逐渐减小,接收到的光子能量减小,暴雨中的散射光强衰减程度最大。相同降雨强度下考虑风切变时,相比较无风时的路径损耗增大5 dB左右。除此之外,还研究了椭球形和切比雪夫形粒子对紫外光散射光强的影响,结果表明当粒子粒径分布相同时,椭球形粒子的散射光强衰减较广义切比雪夫形粒子大。根据散射粒子的散射光强分布以及路径损耗能够区分雨滴粒子是否由相同粒径及形态组成,为粒子测量提供理论基础。分析降水中群雨滴粒子的光散射特性,为提高光谱法评估降水衰减的数值模拟方面提供理论依据,为光学技术在探测识别降水现象等气象领域的广泛应用提供了设计参考。