计算海面激光反射特性的几何光学方法研究

研究了计算海面激光反射的几何光学方法。首先根据JONSWAP非稳态海谱模型数值模拟出二维随机粗糙海面,再采用几何光学方法对入射激光光束在海面上的反射光进行建模,最后计算出海面激光光斑反射光强的空间分布。编制了相关的计算机程序,分析了在不同入射角度和不同风速下的激光光束反射特性。计算结果表明该方法对研究二维随机粗糙海表面激光反射特性有一定参考价值。     

气泡线性振动时近海面气泡群的声散射

海洋中的不同成因的气泡群是常见的水下声学目标及声呐混响源,因此对水下气泡群进行声学建模意义重大。利用有效媒质理论描述气泡群内部的相速度及声衰减变化,并考虑到海洋中气泡群往往产生于不同界面附近,进一步利用球面波叠加原理描述海面对气泡群散射声波的再辐射,导出了平海面作用下气泡群声散射截面的一般表达式,建立了其声散射模型,研究了单一尺寸及混合尺寸气泡群的声学特性。数值分析表明,气泡群的谐振频率会随其半径或孔隙率增加而降低;由于海面的存在,气泡群声散射截面会随频率进行周期性变化,且随气泡群远离海面,这一变化逐渐加剧。此外,若气泡的黏滞阻尼项在全部阻尼项中占比较高,气泡群声散射强度会在谐振频率附近存在起伏振荡。该模型可为近海面鱼群、气泡羽流及海底泄漏的甲烷气体的声学建模提供一定的理论基础。     

二维粗糙海面的光散射及其红外成像

首先根据JONSWAP海面功率谱模型数值模拟出二维粗糙海面，采用几何光学近拟与基尔霍夫（Kirchhoff）标量近似计算了二维海面的光散射，计算中将每一面元看成一具有微粗糙度的粗糙面而不是近似地当作平面，并利用投影法与射线追踪法数值计算了一定入射角和散射角下的遮挡函数，有效地提高了海面光散射计算的精确性。最后利用太阳光的光谱辐照度数值模拟了海面的3μm-5μm红外散射图像，对于红外探测器抑制海面反射太阳光造成的亮带干扰具有一定的参考价值。     

海面的激光散射特性

 基于随机面元模型，建立了海面对激光散射的理论模型，详细分析了海面散射的退偏振特性。理论分析表明：除后向外其它方向的散射光都存在部分退偏振现象；但是浮于海面上或悬浮于海面的物体表面对激光散射所具有的退偏振特性明显不同于海面散射的退偏振特性。因此可以根据这些差异来遥感海面的漂浮或悬浮物体，该结论已经被实验证实。     

海面的激光散射特性

基于随机面元模型,建立了海面对激光散射的理论模型,详细分析了海面散射的退偏振特性。理论分析表明：除后向外其它方向的散射光都存在部分退偏振现象;但是浮于海面上或悬浮于海面的物体表面对激光散射所具有的退偏振特性明显不同于海面散射的退偏振特性。因此可以根据这些差异来遥感海面的漂浮或悬浮物体,该结论已经被实验证实。     

粗糙海面对高斯分布激光光束的反射模型推导

研究激光光束海面反射光强的方向分布特性对海上光电对抗等领域的工程实践具有重要意义.本文采用分形方法模拟粗糙海面,并在海面基准坐标系中建立起描述粗糙海面几何特征的数学方程,然后基于蒙特卡罗方法模拟高斯光束,依据几何光学原理在基准坐标系下推导了高斯光束的海面反射模型,采用该模型可以编程计算激光光束海面反射光强的方向分布.将模拟计算结果与实验结果进行了对比分析,结果表明该模型可以较好地反映激光光束海面反射光强的分布趋势,验证了模型的有效性.     

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。     

改进的二维分形模型在海面电磁散射中的应用

提出了一种改进的二维分形海面模型，其表面谱函数在空间波数小于基波波数及大于基波波数时分别满足正幂率关系和负幂率关系.通过比较可以发现在不同风速时，改进模型的空间自相关函数及表面轮廓谱和有关文献结果有较好的吻合.在满足Kirchhoff近似条件下推导了改进分形模型的散射系数及散射强度系数的计算公式并进行了数值计算，比较了改进模型和经典模型的后向散射强度系数角分布并详细讨论了它们随入射频率、海上风速和风向的变化. 关键词： 改进分形模型 粗糙海面 电磁散射 Kirchhoff近似     

海洋混合悬浮颗粒对蓝绿激光的散射特性研究

激光在水下的传输很大程度上会受到海水中悬浮颗粒物的影响,而目前对于海洋中悬浮颗粒物光散射的理论研究大多是针对单一成分的悬浮粒子而进行的,但是在真实海洋中悬浮颗粒物都是以多种成分混合的颗粒群形式而存在的,因此研究真实海洋中混合悬浮颗粒物对蓝绿激光的散射特性具有重要意义。该研究选取了对蓝绿激光传输产生较大影响的浮游藻类植物、悬浮泥沙、碎屑、悬浮气泡和矿物质这五种常见的悬浮颗粒物作为研究对象,充分考虑真实海况中这五种悬浮颗粒物的不同混合情况,构建了海水中混合球形悬浮颗粒物对蓝绿激光的散射特性模型。数值计算了海水中五种物质混合的球形悬浮颗粒物对532 nm蓝绿激光的统计平均光散射参量和平均散射相函数,分析不同混合悬浮颗粒物的混合比对平均散射、吸收和消光系数以及单次反照率随着粒子有效半径和粒子数浓度变化的影响,同时分析了不同粒子尺寸下的不同混合比对混合悬浮颗粒物的平均散射相函数随着角度变化的影响。数值结果表明,当悬浮泥沙在整个混合模型中占比越大时,平均散射系数越大,而当悬浮藻类粒子在整个混合模型中占比增大时,平均吸收系数增大,由此可知海洋中对光造成主要影响的五种常见悬浮颗粒物中,悬浮泥沙对光散射作用影响最大,悬浮藻类粒子对光吸收作用影响最大。随着悬浮颗粒物浓度的增大,混合粒子的单次反照率保持不变,由此可知混合悬浮颗粒物的平均光散射参量随着粒子浓度的增长速率是一致的。海洋中混合悬浮颗粒物的平均散射相函数随着粒子的有效半径的增大而增大,散射作用最大的混合比下的悬浮颗粒物其平均散射相函数最大,悬浮颗粒物的前向散射较强。该工作对蓝绿激光在海水中传输、信道建模,水下无线光通信的研究以及激光探测都具有重要的理论指导意义。     

连续激光辐照ZnSe/MgF2/K9滤光片的透射特性研究

分析了连续激光辐照ZnSe/MgF2/K9滤光片引起透射特性的变化。在室温条件下,用波长0.632 8μm激光作为探测光束,测量了1.06μm连续激光辐照ZnSe/MgF2/K9滤光片温升引起薄膜折射率的改变,导致探测光束通过干涉滤光片后透过率的热致非线性变化。在光斑直径0.75mm条件下,测量了不同功率激光辐照ZnSe/MgF2/K9滤光片引起温升随时间的变化。在激光功率30W,辐照时间2.52s条件下,实验观测到ZnSe/MgF2/K9滤光片薄膜破坏温度约为90℃,辐照时间10s时干涉滤光片形成的薄膜龟裂形貌。     

连续激光辐照ZnSe/MgF2/K9滤光片的透射特性研究

 分析了连续激光辐照ZnSe/MgF₂/K9滤光片引起透射特性的变化。在室温条件下，用波长0.632 8μm激光作为探测光束，测量了1.06μm连续激光辐照ZnSe/MgF₂/K9滤光片温升引起薄膜折射率的改变，导致探测光束通过干涉滤光片后透过率的热致非线性变化。在光斑直径0.75mm条件下，测量了不同功率激光辐照ZnSe/MgF₂/K9滤光片引起温升随时间的变化。在激光功率30W，辐照时间2.52s条件下，实验观测到ZnSe/MgF₂/K9滤光片薄膜破坏温度约为90℃，辐照时间10s时干涉滤光片形成的薄膜龟裂形貌。     

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.     

激光在准球形边界卷云中传输的衰减和透过特性

高空卷云主要由各种不同形状的冰晶粒子组成,是地空链路上激光信号传输的重要影响因素。依据高空卷云中冰晶粒子的分布特征和散射特性,采用C版本的离散纵标法（CDISORT）,充分考虑地球球形曲率及云层冰晶粒子多次散射影响因素,研究准球形边界云层的激光透过率和衰减特性,并比较了太阳天顶角不同时平面平行模式和准球面模式下卷云大气激光透过率的差异,数值计算了三种激光波长（0.65,1.06和3.8 μm）在卷云中传输时的衰减和透过特性。计算结果表明：较小太阳天顶角（小于80°）入射时,两种模式下卷云大气激光透过率相对误差很小,其中0.65 μm激光波长入射时两种模式下的相对误差仅为1.72%,较大太阳天顶角（大于80°）入射时,两种模式下卷云大气激光透过率相对误差明显增大,0.65 μm激光波长入射时两种模式下的相对误差最大达到69%;卷云粒子单次散射时,激光在云层的衰减与卷云粒子有效半径、传输距离、光学厚度及激光波长等因素有关,随光学厚度的增加,云层的激光透过率减少,1.06 μm激光波长入射时透过率最大,3.8 μm激光波长入射时透过率最小;0.65和1.06 μm激光波长入射时,随云层粒子有效半径的增加激光透过率逐渐增加,而3.8 μm波长激光,随云层粒子有效半径的增加激光透过率逐渐减少,随相对方位角的增加,云层的激光透过率减少,且不同卷云传输模型对激光透过率也存在不同的影响。该研究工作将为开展地空链路星载、机载激光通信、激光雷达探测等工程系统中的激光信号云层传输特性的应用提供理论支持,同时也可进一步拓展为地空链路激光遥感、制导和预警等应用提供预先理论研究基础。     

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.     

二维随机介质中准态模的频谱时间演化特性

采用时域有限差分法数值求解Maxwell方程组，分析了平面随机介质中光波模式的频谱时间演化特性.随机介质的特征可以用散射颗粒的随机构形、介质参数（如颗粒的尺寸和填充率等）以及介质形态等因素来描述.这些因素决定了随机介质在准稳态下模式的频率特性与数量，但具有不同因素的随机介质中模式的产生、选择与演化，具有大致相同的特征与速度.平面随机介质的这些冷腔特性，与传统光腔中模式的产生、选择和演化的特征非常相似. 关键词： 激光物理 随机激光器 无序介质中的光学特性     

二维板状激光介质热效应的理论分析

利用二维模型,对固体激光器中侧面双向泵浦板状激光介质的热效应进行了理论分析,重点研究了介质热物性的温度依存性对其最高温度和最大应力的影响,给出了一种计算介质内最高温度和最大应力的简便方法,并与数值模拟结果进行了对比。结果表明,不考虑介质热物性随温度的变化,将导致计算结果特别是热应力结果偏小。考虑介质热物性随温度的变化时,应用本文提出的简便方法计算得到的最高温度和最大应力与数值模拟结果基本吻合.     

激光熔覆中球形粒子对激光散射强度的研究

为了研究同轴激光熔覆过程中球形粉末粒子和激光的相互作用,为激光熔覆中激光器和粒子的选择提供一定的理论依据,在进行了一定假设的前提下,应用米氏(Mie)散射理论建立了激光被球形粉末粒子散射的物理模型,应用Mathematica数学软件绘制出了在不同粒子半径和不同激光波长情况下,激光被球形粉末粒子散射后的强度分布图,并对模拟结果进行了分析.研究结果显示:金属粉末粒子的半径和激光的波长是影响激光散射强度分布的重要因素.结果表明:当光学常数q≤30的时候,散射光强在偏离传播方向20.以外还有一个次极大值,且次极大值占总散射光强比例较大,不利于熔池的形成;当光学常数q≥30的时候,散射后的光强主要集中在偏离传播方向5.～6.的小范围内,且在此范围内的散射强度很高,有利于提高激光熔覆效率.     

激光在烟幕中传输的蒙特卡罗模拟

建立蒙特卡罗计算模型,模拟计算1.06μm脉冲激光在石墨烟幕中的传输.分析透过率与石墨粒子粒径、烟幕浓度、烟幕厚度的关系,用卷积方法计算一定宽度的脉冲激光穿过烟幕后的波形,数值仿真δ脉冲和矩形脉冲激光在各种石墨烟幕中的时间展宽特性.模拟结果表明:石墨粒子存在一最佳半径(0.16μm),该半径的石墨粒子烟幕不仅使激光能量衰减最强,而且产生的时间展宽也最显著;激光脉冲宽度越小,其波形变化和时间展宽越显著,微秒量级脉宽的激光脉冲穿过烟幕后波形变化和时间展宽效应不明显.