船舶尾流散射光信号及一维离散小波分析

用自行设计的测试系统测量了不同航速下船舶尾流的散射光信号,并选用一维离散小波Dmeyer小波对散射光信号进行了5层小波分析.测量和分析结果表明,随着航速增大,船舶尾流散射光照度减小,尾流气泡幕逐渐增强,气泡幕中气泡密度、气泡运动规律、不同直径气泡分布均随之变化.气泡幕的增强可能存在饱和度,在航速增大到一定值时,气泡幕会达到一稳定的密度分布.从小波分析得到的第五层逼近信号来看,不同航速下主峰位置、主峰个数以及峰值差均不同,不同航速下散射光细节信号的第一层均具有一定周期性,航速10 km/h时表现出完美的周期性,出现类似于同方向不同频率简谐振动叠加而出现“拍”的现象.     

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.     

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.     

尾流光学信号的处理方法

主要利用滤波器、离散傅里叶变换、以及统计信号处理方法等对实验室模拟的尾流信号进行分析和处理、计算.从能量的角度来看,光学信号在有无气泡幕情况下的区别是非常明显的;利用滤波器只能作为尾流光学信号的预处理,从实际应用来看,需要做进一步处理;离散傅里叶变换对不同气压下得到的处理结果存在的区别,必然也为判断不同航速、不同尾龄下的尾流提供了一种线索;以Chirp z变换的形式对尾流光学信号进行处理,使得这种分布具有相当直观的图形,结合适当的图形处理方式,将有可能确定探测尾流光学性质的特征信号.     

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.     

尾流散射光性质的一维小波变换分析

船舶尾流具有特殊的声学、电学、磁学和光学特性。选用一维小波变换含离散小波变换、连续小波变换、小波包变换、复小波变换对测量的尾流光学性质进行了分析，其结果表明：不同条件下尾流散射光信号具有不同的自动阈值，经小波变换后保留的能量比例、小波系数置零比率不同，变换的小波系数染色模式、系数曲线、最大系数线区别明显。一维连续小波变换显示出细节信号具有一定周期性，说明在测量过程存在周期性的干扰因素。通过小波分解的各层细节信号，为在测量结果中消除或降低这些因素的影响指明了方向。一维连续小波变换结果显示，在不同压强下小波系数大小及分布、极大值分布都有明显区别。一维小波包变换的压缩信号保留了原始信号绝大部分的能量，选择的系数可作为不同压强下尾流气泡幕的特征系数，而一维复小波变换变换的模、模角以及系数随时间轴的分布，其相对大小都不相同。经小波分析，可以提取出散射光信号的共性，也可以直观地展示不同散射光信号的区别。     

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。     

真实尾流的光学特性

在实验室对模拟尾流气泡幕研究的基础上,设计了用于真实尾流测试的水下实验系统通过对千湖1号船在不同航速下尾流的几何特征进行观察和分析计算,得到了尾流深度、宽度与航速的关系,并且对尾流的水面宽度以及散开角进行了估计.在5km/h,10km/h和15km/h的航速下对尾流不同几何部位的激光透射强度进行了测量,结果与理论计算基本一致.从透射光的相对强度来分析实验结果,可以认为自然光的影响是一个次要因素.     

基于图像处理的模拟尾流气泡幕研究

利用图像处理技术,对模拟的尾流气泡幕进行了定性和定量分析.压强较小时,位于不同层面上气泡的重叠少,通过二值图像处理可清楚地观察气泡的尺度大小及密度分布;而当压强较大时,不同层面气泡重叠幅度大,大部分气泡的边界难以判断,不能够得到气泡尺度参量及密度分布等信息.利用区域分割技术对获取的气泡幕灰度图像进行伪彩色显示,定性分析了气泡幕中气泡尺度、分布等信息.基于形状分析的等效直径、气泡幕剩余面积和剩余面积变化显示,不同压强下气泡的等效直径分布均在5～100像素范围,平均等效直径为55像素,压强较小条件下小气泡比例较大.     

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.     

舰船远场尾流气泡分布特性的数值模拟

为了了解舰船尾流中气泡的分布特征,为激光探测舰船尾流提供依据,建立了计算热分层环境中舰船远场尾流中气泡数密度分布的数学模型,该模型由抛物化的RaNS方程及气泡输运方程组成,采用k－ε两方程湍流模式.利用该模型数值模拟了舰船尾流中的气泡数密度分布特征、气泡尾流宽度扩展规律,气泡数密度衰减规律,并与实测结果进行了比较,二者定性符合得较好.数值模拟表明舰船尾流中半径为10~30 μm的气泡存活时间最长, 为了确保能在距船尾5 km处还能探测到舰船气泡尾流,其探测的对象应以半径10~30 μm的气泡为主,并且探测准确度至少应能达到识别出初始截面上气泡数密度的3%.     

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.     

高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究

气泡在许多不同过程中起着重要作用.舰船尾流中的气泡提供了这样一个线索,即基于对气泡的特性研究,并以此对舰船进行追踪是一种独特的方法.用高速摄影技术来研究气泡,具有直观、低费用的优点,配合以半自动胶片判读仪,可获得较为详细的关于气泡的参量.实验结果表明,水中气泡上升速度的大小都在随时间减小,气泡的末速度存在一极值,它与一定大小的气泡相对应.文中详细讨论了水中气泡的动力学特征,并与高速摄影所得到的气泡图象数据进行了比较,其结果的一致性肯定了高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究中的重要性