舰船气泡尾流激光雷达的关键技术

针对舰船气泡尾流激光雷达研发中的三项关键技术———复合散射理论研究、激光断层和偏振检测技术、后向散射抑制技术展开综述,总结了相关领域研究成果并提出新的技术方案。对复杂海洋环境下的激光复合散射理论进行了系统的分析,有针对性地给出了相关研究方法及研究关键点。提出利用激光断层和偏振检测技术对舰船尾流进行检测的新方法。基于Monte Carlo模型分析了尾流激光雷达近场后向散射光的大动态衰减规律,提出一种新的基于雪崩光电二极管的大动态范围信号接收技术。在国内首次成功研发尾流激光雷达样机并首次获得大量详实的海试数据。海试结果表明,该样机对8节航行下的千吨级民用船舶尾流探测距离大于3.7 km。     

激光探测尾流微气泡的偏振特性研究

为了研究尾流中激光照明气泡幕的散射光强度和偏振的特性,利用基于偏振光传输的蒙特卡洛模型,对偏振激光入射含气泡群水体的三维空间分布模式进行仿真计算。研究了气泡和气泡群在不同气泡尺度,不同散射角条件下的散射光强和偏振状态;分析了气泡幕的气泡数密度,厚度对于散射光强度和偏振状态的影响。研究表明,散射光的强度和偏振度对气泡尺度和散射角较为敏感,气泡尺度参数越大,散射光强和偏振特征越趋向于集中在传输方向的小角度散射;气泡幕的数密度和厚度越大,散射光的强度随散射角度变化的敏感度下降,退偏振效果增强。     

舰船尾流模拟气泡的脉冲激光后向散射特性研究

在Mie散射理论的基础上分析了尾流气泡的光散射特性,并用脉冲激光对尾流模拟气泡幕的后向散射光信号进行了实验研究,对气泡幕位置、接收发射轴夹角和多次散射等影响因素进行了详细讨论。实验发现：气泡幕存在条件下后向散射光信号得到明显增强,且信号的峰值强度随气泡幕位置等参量的变化而改变：当气泡幕位置较近时,多次散射光信号将对接收信号产生明显的作用,是影响接收信号强度的一个重要因素。     

舰船尾流气泡后向光散射特性研究

对水中气泡后向光散射特性进行了初步的定性研究。实验结果表明,由于气泡的存在,水的后向光散射特性有了明显的改善。水中气泡后向光散射强度与探测器类型、气泡距离以及气泡密度等因素有密切关系。采取一定的措施,尾流气泡后向光散射信号是可以探测到的。     

舰船气泡尾流散射光斯托克斯特征研究

针对当前探测器距离尾流较近时目标回波信号淹没在水体散射信号中,以及对低密度、微小气泡群较难探测的问题,通过对尾流散射光的斯托克斯参量特征进行研究,可全面反映光经过尾流散射后的完全偏振光、部分偏振光全非偏振的特征。仿真计算了尾流中微小气泡在不同半径、不同散射角条件下斯托克斯散射矩阵的变化,并对比了水分子的散射特征,研究分析发现:（1）不同大小尾流微气泡的斯托克斯散射特征既有相似之处,也有一定的差异;（2）微气泡的散射参量,与水分子相对应参量比较,差异更加明显,水分子的散射参量不存在震荡现象且散射特征稳定。利用斯托克斯参量进行光尾流特征分析,信息量较全面,光散射特征差异明显,证实了其用于尾流信号分析、探测的可行性。     

差动激光多普勒尾流探测方法

利用差动激光多普勒探测法,研究了能够探测尾流中气泡和湍流分布的光学诊断方法。实验研究了模拟尾流场中运动气泡及湍流的后向散射光的多普勒频移谱特性。采用差动相干探测法获得了模拟尾流场的流速,测量值与实际流速误差小于1.5%。实验结果表明:相干光束夹角对散射光频移量具有明显影响,散射光多普勒频移量随两相干光夹角的增大而增大;气泡运动引起的频移主要集中在低频端,为一宽带谱;并且频移谱的宽度随气泡数密度的增大而增大。频谱的这一特征可作为舰船尾流识别的判据之一。     

舰船尾流气泡多重散射偏振特性研究

舰船尾流气泡的多次散射效应对光尾流探测领域的研究具有重要意义.针对水中气泡多次散射对后向散射光强以及偏振度的影响规律问题,基于矢量Monte Carlo方法,采用欧拉矢量法对光子在水中气泡后向散射偏振态进行跟踪,对比分析了线偏振、圆偏振激光入射情况下,不同散射次数回波信号在强度和偏振度特性上的差异性,验证了欧拉矢量法用于光尾流探测仿真领域的可行性.     

尾流气泡群的激光多普勒检测方法

提出了一种基于气泡群后向散射光多普勒频移谱特性的舰船尾流检测方法。利用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法对尾流区运动气泡群后向散射激光多普勒频移谱进行了理论模拟,分析了气泡数密度和速率分布对后向散射光信号多普勒频移谱特性的影响。在此基础上,利用差动型激光多普勒探测方法,实验研究了模拟尾流气泡群后向散射光多普勒频移谱特性,实验结果与理论模拟基本符合。研究表明,随着尾流中气泡数密度和速率分布范围的增大,后向散射光信号的多普勒频移谱的幅度、截止频移也随之增大。这证明了激光后向散射多普勒频移谱特性分析法可作为一种有效的尾流检测方法。     

舰船尾流散射特性的研究

利用Mie理论计算了单个气泡和舰船尾流横截面内气泡群的体散射函数.计算结果表明尾流中心的后向散射高于尾流边缘的.舰船尾流横截面内气泡群的散射与气泡大小,气泡尺寸分布和尾流深度有关系;在散射角180°附近后向散射增强显著;在散射角60°～80°之间,气泡群的散射相对于相邻角度有所增强.     

舰船尾流的激光散射特性

根据Mie 散射理论,在认为气泡不相干的情况下,计算了气泡在不同散射方向的散射强度,得出舰船尾流某个横截面上气泡群的光散射特性;计算结果表明气泡群的后向散射增强非常明显;舰船尾流横截面上尾流中心气泡的散射强度远大于尾流边缘处的散射强度,说明利用舰船尾流中气泡与背景海洋中的气泡对光散射的差异来作为鱼雷自导的一种手段是可行的。     

激光大气污染探测方法

激光探测技术以它的高时间、空间分辨率和测量精度等优点而成为一种正走向实用化的重要的大气污染探测手段。本文论述了几种目前较为普遍采用的激光探测方法的机理、特性与适用范围。     

激光器弛豫振荡过程中光场的偏振特性

利用矢量型激光方程分析了激光器弛豫振荡过程中光场脉冲的偏振特性 .结果发现 ,在弛豫振荡过程中的光场具有线偏振特性 ,偏振方向随时间发生变化 ;在掺钕单横模光纤激光器的弛豫振荡过程中的光场表现出这种偏振特性 .     

CO2激光脉冲外差信号偏振匹配研究

设计一个CO2激光脉冲外差中的脉冲信号光和连续本振光偏振匹配研究实验，从理论和实验上，分析了偏振态匹配程度对脉冲外差信号的影响，当两束光严重失配时，不仅降低脉冲外差效率，而且还将导致激光脉冲畸变，产生很强的连续波外差背景噪声，抑制脉宽内外差信号。     

基于线偏振激光主动成像的目标探测与识别

在对偏振光进行Stokes参量法描述的基础上,用线偏振激光对六种不同材料的目标进行了主动成像实验.实验中,先分别用CCD1和CCD2接收水平偏振图像和竖直偏振图像,然后,根据两幅图像的平均灰度值IX和IY,算出了不同目标反射光的偏振度P.在此基础上,对绿色油漆覆盖的铁片和铜片进行目标识别实验,通过对偏振图像进行直方图均衡化处理,将两种不同材料的金属目标明显地识别出来.实验证明,偏振图像具有识别目标细节的能力,特别适合暗小目标的探测与识别.     

圆偏振光偏振复用激光通讯系统

提出了一种采用圆偏振光的偏振复用通讯系统。其基本设想是信号光在空间中以左 旋和右旋圆偏振光的形式进行传播,在接收端将这两种偏振光区分并分别接收。本文详细论证了在两个相对运动点之间采用圆偏振光实现偏振复用激光通讯的可行性。     

水下物体的激光偏振成像研究

采用波长532nm的激光器作光源，面阵CCD作探测器，利用水中粒子和物体散射光解偏振度的差异，本文研究了水下物体的激光偏振成像。结果表明，采用偏振技术可使水下成像距离扩展至15倍左右。本文还讨论了不同衰减长度和偏振器的不同偏振角度与图像对比度的关系。     

激光声纳探测技术

激光声纳探测技术可远距离、非接触地在空中平台上测最水表面的振动速度,进而获得水下声场振动频率,它在未来的海洋探测中具有巨大的应用前景.综述了激光声纳探测技术的研究历史和现状,分析比较了各发展阶段技术路线的特点,并对其发展前景进行了展望.     

基于偏振复用技术的激光二极管光纤耦合方法

光纤耦合输出的高功率激光二极管(LD)模块作为光纤激光器的抽运源已经得到了广泛应用。为了进一步提高光纤耦合激光二极管输出功率,提出了利用激光二极管输出光束的线偏振特性,采用偏振复用技术,将两只高功率激光二极管输出光束经准直、复合、聚焦的光纤耦合方法。利用光线追迹法,分析了圆柱透镜对激光二极管发散光束的准直特性,并讨论了柱透镜的安装距离对准直性能的影响。根据激光二极管和光纤的相关参数设计了聚焦透镜组。采用这种方法将两只输出波长为980 nm的高功率激光二极管输出光束耦合进数值孔径0.22,芯径100μm的多模光纤中,当工作电流为4.5 A时,光纤激光连续输出功率为6.36 W,耦合效率大于78%。     

高分辨雷达信号极化检测研究

本文针对高分辨雷达体制提出了横向极化滤波的概念,利用它进行了雷达信号的极化检测研究,获得了良好的检测效果.给出了检测性能与横向极化滤波器组参数之间的函数关系,证明了雷达检测性能的极化域最优化问题实质上可以归结为一个SINR极化滤波问题.     

795nm单偏振稳定垂直腔面发射激光器的研究

基于非对称氧化技术,引入氧化孔径横向光场损耗各向异性,使得TE/TM偏振光功率差进一步增加,TM偏振得到有效抑制,从而实现795nm垂直腔面发射激光器单偏振稳定输出。实验结果显示:当氧化孔径为7μm×5.5μm时,不同温度下偏振抑制比均在10dB以上,最高达到16.56dB;当氧化孔径为20μm×18μm时,偏振抑制比也可以达到15.96dB。最终,得到偏振抑制比为16dB、水平发散角为8.349°、垂直发散角为9.340°的单偏振稳定输出795nm垂直腔面发射激光器(VCSEL),为实现单偏振高光束质量VCSEL激光光源提供了实验基础。