基于CMOS探测模拟气泡幕前向光散射动态特性

提出了基于CMOS图像传感器探测前向激光近轴的散射横面角和散射纵面角的概念.使用CMOS采集了模拟气泡幕前向散射光动态图像序列,通过计算每帧灰度图像行和列像元均值将其可以用一个列向量和行向量表示,从而图像序列可以用一个图像序列矩阵描述.实验模拟了压强0.005MPa和0.01 MPa产生的气泡幕,通过计算两种压强产生的气泡幕前向光散射图像序列的横向灰度均值和纵向灰度均值,定性分析了100帧图像序列的灰度分布和演化特点,并定量分析了5帧连续图像的动态变化范围和相关性.分析CMOS探测气泡幕前向散射光动态图像序列实验结果表明,随着压强增大,产生气泡幕尺度增大、密度增加、上升速度加快,导致图像序列横向和纵向散射光灰度变化范围增加,并且相邻图像帧之间变化波动幅度增大.     

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.     

尾流气泡幕光学特性的数理模型

对实验室模拟的尾流以及真实尾流气泡幕中气泡的运动规律进行了分析和计算,并提出了气泡幕中气泡随半径分布规律的数学物理模型,引入了最可几半径的概念从单个气泡对激光散射的影响推导出了气泡幕对激光的散射效应的数学表达式,并利用所得到的表达方式在实验室条件下进行了相关计算所建立的理论模型对于气泡分布的计算结果同实验结果相比,一致性相当好在气泡幕对激光散射的影响中,首次对激光偏振化特性的影响进行了区别计算计算结果表明:激光的两种偏振化状态对气泡幕散射的影响从粗糙结构来看没有明显差异,但其精细结构有所不同对不扩束和扩束两个条件下的计算明确显示出,扩束条件下散射光的强度是不扩束条件下的二倍以上,但二者的精细结构并没有可见的差别.     

模拟尾流泡幕及实际尾流光学性质对比研究

对模拟尾流泡幕及实际尾流光学性质进行了对比研究.结果表明,实验室模拟尾流气泡幕的散射光平均照度均值随着压强变化梯度大,可据此定性区别不同压强的气泡幕.实际尾流随着航速增大,散射光照度减小,但这种减小不是线性的.散射光照度一定周期性的规律,说明随着航速的增大,尾流气泡幕逐渐增强,气泡幕中气泡密度、不同直径气泡分布等均随之变化,这可能预示着气泡幕的增强存在饱和度.实验室模拟尾流气泡幕与实际尾流的散射光信号在轮廓方面是相似的,都随着压强或航速的增加而减小.通过比较实验室模拟气泡幕和实际尾流的差值信号,可以有效地消除杂散光或自然光的影响,利用Haar小波对差值信号的分析也得到相同的结论.     

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.     

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.     

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.     

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。     

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LD激发荧光粉白光光源的窄光束照明光学系统设计

蓝光半导体激光器激发荧光粉产生白光光源技术发展迅速,但由于大功率蓝光半导体激光器在快轴、慢轴方向的光场分布差别较大,使得日前激光照明整体光学性能仍旧较差,难以实现大规模推广应用。针对该问题,设计了一款高质量激光照明光学系统,基于蒙特卡洛光线追踪理论,对激光光束进行准直调控、均匀光斑整形以及对荧光片进行设计,使得整体光源模块各元件得到最佳整合,最终实现了窄光束激光照明。仿真结果表明:激光光源的光收集率达98.3%,激光光斑的不均匀度为1.7%,白光均匀度为98%,光斑是出射准直角为1.6°的方形窄光束白光光斑。     

粗糙表面激光散射特性的理论研究

用矢量微扰动方法分析激光束在粗糙表面上散射的分布特性。详细讨论高斯光束的角谱和适用于准直激光束散射问题的波前分割概念认为，当用入射总功率作归一化因子时，准直粗激光束散射可近似地作为平面波处理，而细激光束散射则与平面波存在很大的差异，利用所得结果讨论了一维粗糙表面的激光隐身作用及椭圆偏振光入射时镜反射方向和后向散射场的偏振态。最后介绍两种线偏振光在粗糙表面上散射分布的差异。实验验证了主要结论。     

非球形大气粒子对任意波束的电磁散射特性

研究大气中变形球状的气象粒子对电磁波以及激光的散射特性,采用广义米氏(Mie)理论,精确地求解在任意波束中大气粒子的散射强度,数值计算激光束腰位置对散射强度分布的影响,分析彩虹强度和散射角与变形球状粒子偏心率的关系,研究随着长短轴比例增加,彩虹强度峰值的偏移。计算结果表明雨滴在下降过程中,它在各个方向的光散射强度逐步减弱,即随着雨滴偏心率的增大,散射强度减少,彩虹角变大。对于激光入射,当粒子距离波束中心位置越远,粒子的散射就越弱,并且随尺寸参量增加,后向散射振荡的频率要大于前向散射,当束腰位置矢径的大小增加时,后向散射和前向散射强度均变小。     

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。     

均匀椭球粒子对拉盖尔-高斯光束的散射特性研究

基于广义Mie理论, 研究了椭球粒子对在轴入射的拉盖尔-高斯光束的散射特性. 通过局域近似法求解椭球坐标系中的波束因子, 计算得到了波束因子之间满足的普遍关系. 对散射强度随椭球粒子不同尺寸参数和扁圆程度的变化特性进行了数值计算, 并针对不同拓扑荷时的散射强度进行了对比分析. 结果表明: 当椭球粒子尺寸在与入射光波长可比拟的范围内变化时, 散射强度随尺寸参数的增大而增大, 随椭球长短轴之比和拓扑荷的增大而减小. 本文的理论研究能够为拉盖尔-高斯光束在粒径测量、大气激光通信、 大气遥感等领域的应用提供更准确的粒子模型和参考价值. 关键词： 椭球粒子 拉盖尔-高斯光束 波束因子 散射强度     

基于Mie散射理论的C@H_2O复合粒子散射特性研究

大气中大量存在的复合粒子会对激光传输效率产生很大影响。由于空气中水蒸气含量较高,以C作为凝结核外层包裹以水的核壳结构微粒对光传输具有明显的散射效应。本文应用Mie散射理论对C@H_2O核壳结构微粒的散射特性进行了理论分析和数值计算,首先给出了不同入射波长、核粒子半径以及水膜厚度条件下散射强度分布变化曲线;其次给出了不同入射波长、核粒子半径以及水膜厚度条件下偏振变化情况;最后讨论了光学截面与粒子半径之间的关系。结果表明各参数对前向散射强度影响较大,入射波长越大散射强度越弱,C核半径增大粒子的前向散射增强,水膜厚度增大粒子的前向散射增强,而后向散射无明显影响;入射波长较大时,粒子在多个角度出现线偏振光,入射波长增大、碳核半径变大、水膜厚度增大,偏振度峰值都会增多;随着入射波长的增大,散射截面最大峰值位置向着半径增大的方向移动,并伴随一定的振荡现象,散射和消光截面在碳核半径为0.1μm左右达到最大值。     

沙尘天气下激光信号的传输特性

以小角度近似为条件,利用逐级递归的方法推导了激光信号在沙尘天气下的辐射传输方程,得到了多次散射下的光强分布函数,以及波长和不对称因子对光强的影响。同时,通过比较不同散射相位函数及沙尘粒子的散射特性,采用了修正的TTHG(Two Term Henyey-Greenstein)散射相位函数,更加全面地反映了沙粒散射后光强的变化规律。研究结果表明,随着光学厚度的增加,散射光强呈现出先增大后减小的趋势,且多次散射的比重相比于单次散射而言逐渐增大。当散射次数超过3次以上时,接收光强的变化可以忽略不计。相对于Mie理论下的结果而言,采用小角度近似理论,从辐射传输的角度分析沙粒的散射特性误差更小,实现了准确描述沙尘天气下激光信号传输特性的目的。