激光空泡在近自由液面运动特性的实验研究

采用激光技术聚焦击穿液体产生空泡,利用高速摄像系统开展激光空泡与自由液面的相互作用的实验研究。实验研究发现,空泡与自由液面之间的无量纲距离对水下空泡的脉动特性和自由液面的水冢现象存在影响。通过大量实验总结了无量纲距离与空泡半径、空泡脉动周期、自由液面水柱的最大高度和产生水冢时间的相互关系。实验表明无量纲距离越小,空泡脉动周期越短,自由面的水冢现象越明显。同时统计出了在不同无量纲距离范围内所出现的5种不同水冢现象的规律。研究内容为空泡与自由液面相互作用的理论提供了实验依据。     

含气量对激光空泡在刚性壁面空蚀的影响

采用强脉冲激光器设计液体环境下刚性壁面空蚀实验平台,改变液体中含气量,利用高速相机观察不同含气量条件下激光空泡在壁面附近的脉动过程,并对刚性壁面造成的空蚀结果进行了观测。实验研究发现,随着液体中相对空气含量的提高,激光空泡脉动的最大尺寸增大,空泡的膨胀运动变剧烈,溃灭运动速度降低,空泡的溃灭强度降低,从而影响到溃灭冲击波和壁面微射流对刚性壁面的冲击速度,减弱了壁面空蚀,而液体中含气量的提高能够降低激光空泡对刚性壁面的空蚀程度。     

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     

多量级多向梯度海空复杂背景红外弱点目标检测

由于红外图像一般带有较大的噪声，采用传统的目标检测方法效果不理想。本文提出了一种新的海空背景下受强杂波和噪声污染的红外图像弱点目标检测算法。用多个量级梯度对图像目标进行检测，并对检测的结果进行了表决融合。结果表明，基于表决融合的多量级多向梯度检测消除了云层、海浪和海天线等背景干扰，在实现高检测概率的同时，不仅可以达到较低的虚警概率，而且可检测信杂比为1的点目标。     

激光声源特性研究及海洋应用

激光声作为水下声源的一种新的激发方法,具有高声强、窄脉冲、宽频谱等优点。基于激光声激发的线性及非线性理论,建立了激光声信号特性的初步模型,研究了激光在水中激发声波的特性,研究表明：在热膨胀激发状态,增大激光光强可以提高激光声的转换效率;光强大于击穿阈值后,激光声的激发机制为非线性的光击穿机制。激光声具有的高距离分辨能力和海洋抗干扰能力,对水下目标探测、空载平台等领域有着较广的应用前景。     

激光空泡刚性半球面内运动

采用甚高速照相技术与建立激光空泡在刚性半球壁面内的运动模型相结合的方法,确定了激光空泡在刚性半球面壁内的运动特性与无量纲距离的关系,提出了最佳无量纲距离概念。结果表明:半球反射面的半径与激光空泡最大半径之比小于1.1时,激光空泡在第1次膨胀时就会产生严重的变形并弹出半球面,并产生空化泡和空蚀,它们均会严重影响激光声的传播。该比值在1.1~3.3时,激光空泡将在第3次收缩之前接触半球面,容易对壁面造成空蚀。在该比值大于3.3的情况下,激光空泡在第3次收缩之前不会接触半球面,对激光声的传播和反射特性影响较小。如果考虑把空泡第1次溃灭时产生的激光声的声学中心控制在击穿点时,需要把该比值控制在5以上。     

不同光聚焦状态的光击穿声辐射特性

强激光通过光学系统聚焦于水下时,击穿水介质辐射强声波信号.光学聚焦特性的不同,使得激光击穿区域形状的差异,导致辐射的声信号在强度、频谱特征上具有较大的差异性.为研究不同光聚焦状态对激光击穿形成的空泡辐射声波的影响,推导了不同聚焦状态下激光空泡壁的运动方程及声辐射模型,构建了激光声实验测量系统,实验研究了不同聚焦状态下光击穿导致的空泡脉动参数、辐射声信号特征的差异性.结论:激光声信号强度与激光能量成线性关系,在激光能量高于一定参数情况下,声信号强度变化不大;在低激光功率下,扩束聚焦与非扩束聚焦,辐射的声信号特性差异不大;在高激光功率条件,扩束聚焦击穿形成的空泡半径大于非扩束聚焦击穿,辐射的声信号强度高于非扩束聚焦;为提高激光击穿辐射卢信号效率,应对激光束进行扩束聚焦.     

光击穿液体空泡特性的高速图像测量

为了分析激光击穿液体介质过程中的等离子体闪光、空泡脉动、冲击波辐射、空泡溃灭发光等综合效应,将高速摄影技术应用于液体激光击穿研究.采用高功率激光聚焦击穿水、酒精、甘油、硅油等粘性液体,观测到了激光击穿形成的等离子体闪光、空泡脉动及溃灭、空泡溃灭发光及冲击波辐射.通过对激光空泡图像序列的分析,得到了不同液体介质中激光空泡的脉动特征、冲击波辐射等特性.研究结果可为水下激光加工、激光医疗、空化空蚀、能源相关流体力学的研究提供一定的理论和实验支持.     

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.     

激光声信号的频谱特性

构建了激光声实验测量系统,利用脉冲激光聚焦击穿水介质产生声信号,由水听器将声信号转换成电信号并送入数字存储示波器。分析了激光声信号的时频域数学模型,实验研究了激光声信号的频域能量分布,以及激光器重复频率和激光声信号频谱特性的关系。结果表明:激光声信号能量主要集中在200 kHz内,其中100~200 kHz内的能量所占比例约50%。激光声信号的幅频响应极大值点可以受到激光器重复频率的控制。