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     

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。     

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...     

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.     

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.     

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.     

气泡数密度对尾流光束衰减测量的影响

为准确地测量出尾流气泡群的衰减,提高前向光尾流探测的可靠性,研究了气泡数密度对尾流光束衰减测量的影响.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功率和漫射功率的表达式.根据测量条件,引入了有尾流气泡和无尾流气泡时探测截面上接收到的辐射功率之比作为透射函数,并进一步引进了复散射校正因子,它表征了复散射效应的强弱.针对典型的尾流气泡分布,通过数值计算得到了不同测量条件下气泡数密度与复散射校正因子、透射函数的关系.数值计算结果表明：复散射校正因子都随气泡数密度的增大单调的增大,透射函数都随气泡数密度的增大单调的减小;测量条件不同,气泡数密度对光束衰减的影响也不同.研究结果表明,给定测量条件和透射比时,利用小角度辐射方程可以得到气泡群数密度的量化信息.     

浑浊介质中激光侧向散射实验与仿真研究

通过对Mie散射相位函数的累积概率密度插值获得散射角,建立了激光在浑浊介质中传输的蒙特卡罗仿真模型。借助模型研究了激光在均匀单分散聚苯乙烯浑浊介质中的多次散射现象,探究了不同光学厚度和散射相位函数的浑浊介质对激光多次散射的影响。在研究中控制5μm和10μm两种粒径聚苯乙烯颗粒的浓度,改变浑浊介质的光学厚度分别为2、5和8,进行了理论仿真和实验的二维侧向散射图像比对,发现相同介质条件下仿真与实验得到的散射光强衰减百分比差异均小于16%,散射光强曲线走势基本一致。仿真还能够提供不同散射阶次光强大小的分布情况,能准确分析多次散射的影响。     

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.     

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.     

基于核独立成分分析的舰船光尾流信号提取

舰船尾流的激光探测是一种新的鱼雷制导手段。水体的后向散射光信号是舰船尾流后向散射光信号检测的常见干扰,由于其在频域十分接近且信号强度大于尾流信号,因此难以用传统方法提取有用的尾流信号。针对这一问题,提出了一种基于盲源分离的处理方法,将核独立成分分析技术应用于舰船尾流后向散射光信号的提取。介绍了核独立成分分析的基本原理和具体算法,进行了仿真计算,并与传统独立成分分析算法进行比较。结果表明在盲源信号分离中,基于核空间的独立成分分析与其他独立成分分析算法相比更具有准确性。最后应用该方法对海上实验数据进行处理,提取出了舰船尾流信号,取得了良好的效果,验证了该算法的有效性。     

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。     

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.     

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.     

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.