舰船尾流微气泡光偏振特性分析

用利光散射原理和Mie理论,建立舰船尾流光散射模型,并着重用线偏振光对气泡进行散射仿真,模拟线偏振光经过尾流气泡后,前向散射光与后向散射光的退偏效应的差异,进而提出一种尾流测量的新方法。文章计算了尾流中微小气泡在不同半径、入射光波长和不同散射角条件下光的退偏特性。结果表明,入射光通过尾流气泡散射后,散射光的偏振效应前向退偏程度比后向退偏程度更强,且不同波长入射光和不同直径气泡表现出不同偏振特征,表明对偏振光退偏效应进行探测携带信息量大、容易识别,这对用偏振光进行舰船尾流探测有着重要意义。     

舰船远场微气泡尾流的退偏特性

为研究船远场微气泡尾流对偏振光的消偏作用,采用偏振光传输的Monte Carlo模拟程序仿真了尾流气泡幕前向散射偏振度和穆勒矩阵元的二维分布模式,计算了入射光的偏振态、气泡幕的散射系数、气泡幕的厚度以及气泡平均粒径4个类型参量改变时尾流气泡幕前向散射的退偏特性.研究结果表明:尾流气泡幕前向散射偏振度随着入射光偏振态的变化存在不同的方位选择取向,相比于圆偏振光气泡幕对线偏振光有较强的退偏作用,尾流气泡幕退偏作用随着气泡幕厚度和散射系数的增加而增强,随着气泡幕平均粒径的增大偏振度的震荡增大并最终趋于平稳.     

尾流光学特性的数理模型及试验

建立了气泡幕中气泡随半径分布规律的数学物理模型，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式在实验室条件下进行了相关计算。在气泡幕对激光散射的影响中，对激光偏振化特性的影响进行了区别计算，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。另外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。在不同航速下测量了真实尾流不同几何部位的激光透射特性，测量结果与理论计算结果粗略一致。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。     

舰船尾流声散射和几何特征试验

为了研究舰船声尾流的散射特性和几何特征,采用水平窄波束和垂直多波束同时基测量方法,研制和设计了舰船声尾流的海上测试系统和测试方法,进行了海上测试,获取了舰船声尾流在水平方向和垂直方向的声散射图像,并首次获得了舰船声尾流的截面形状和立体图.研究和分析了不同舰船不同航速下尾流的声散射特性和几何特征,结果表明舰船尾流的体积散射强度小于-10 dB,最大深度为吃水深度的1.5～2倍,最大宽度为舰船宽度的7倍,比国外文献中利用光学测量的声尾流宽度要宽.最后从舰船声尾流声散射特性和几何特征中提取了舰船声尾流的10 min的持续时间.     

偏振状态下船舰尾流的光散射特性

为了研究船舰尾流的偏振光散射特性,本文用Mie散射理论计算了偏振极化角在0～90°之间分别取6个不同值时船舰尾流气泡（包括单个气泡及气泡幕）的散射相位函数．结果表明：不同极化角偏振入射光的船舰尾流散射相位函数随散射角分布趋势基本相似;散射角在80-140°之间时,不同极化角偏振入射光的船舰尾流散射相位函数曲线分离可辨．     

模拟尾流气泡幕的灰度图像分析

为了对舰船尾流产生的大量气泡进行实时探测,对气泡的密度分布进行了分类判别,利用灰度图像直方图统计矩法,分析了随着压强增大,灰度直方图的峰值由较暗向较亮方向移动.应用图像处理技术对不同压强下模拟尾流气泡幕的统计特性参数(均值、三阶矩、标准偏差、归一化、一致性、熵)进行分析,研究结果表明:随着压强的增大气泡幕图像的均值递增说明平均灰度级在递增;三阶矩呈递减状态反映了图像灰度直方图的"歪斜程度";在其他4个参数的曲线中0.025 MPa所对应的值说明了所采集的气泡幕图像的纹理特征比0.02 MPa,0.03 MPa,0.035 MPa压强下的要粗糙;所提取的六个特征参数准确的表征了不同压强下气泡幕的特征.     

船舰尾流单次散射反照率的理论计算

为研究激光在船舰尾流中传输时的散射效应,利用M ie散射理论对船舰尾流单次散射反照率进行了理论计算．结果表明：气泡半径小于0．6μm时单次散射反照率随半径的增大而增大,半径大于0．6μm时,单次散射反照率随气泡半径增大出现波动并且逐渐减小,直至趋于平稳;船舰尾流单次散射反照率随着折射率虚部和实部的增大而减小,波长在0．4～0．8μm之间时船舰尾流单次散射反照率随波长的增大而增大;船舰尾流单次散射反照率在中心区域和远场区域数值高于近场区域,随深度的增加而增加．     

光学遥感探测尾流研究

本文对舰船航行产生尾流（伯努利水丘、表面波尾流、内波尾流、涡旋尾流）的生成机制进行探讨.研究了水中气泡上升的运动学规律和气泡群光散射特性.通过比较分析尾流在可见光、红外和微波等不同波段所表现的物理特征,并对可见光探测尾流、红外遥感探测尾流、合成孔径雷达探测尾流的发展进行探究,表明三种不同光学遥感探测尾流分别具有各自的优劣.研究合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）图像检测算法表明,Radon变换检测算法能增强尾流图像,Hough变换检测算法能从尾流图像中提取目标的位置、航速、航向等参数.合成孔径雷达探测尾流具有高分辨率、快速实时、全天候等显著优势,是目前最适合探测尾流的光学遥感.     

激光通过实验室模拟尾流的衰减特性

尾流场中气泡幕的存在,使得对于气泡、气幕的研究成为研究尾流的一个重要途径,而在实验室模拟尾流气幕场并对其进行研究是一种简单且行之有效的途径。研究表明,无气泡幕时激光在扩束时比不扩束时的衰减平缓,通过气泡幕的激光在有扩束情况下透射光引起的照度大于无扩束时透射光引起的照度。在一定气体压强下,照度随着光阑孔的增大而增加;当光阑孔径小于4mm,基本呈线性增加,当光阑孔径大于4mm,增加较为缓慢,并在光阑孔径等于10mm时接近饱和。有气泡幕存在时透射光的输出照度大于无气幕时的照度,数量级可达69dB,有气泡幕时的相对标准差是无气泡幕时的10倍以上。     

气泡光学特性的研究

利用自行设计的实验系统在实验室对微孔陶瓷管产生的气泡及气泡幕的光散射特性进行了研究和分析，并对单个气泡的光散射特性进行了计算机模拟．实验结果表明，理论结果与实验结果基本相符．通过实验可得到气泡的尺度及速率等物理特性．从气泡幕光散射信号的Fourier变换可以看出，信号的频率主要集中在0～1000Hz范围内，在高频部分的微小波动由噪声引起，信号频率随时间没有明确的变化趋势，表明气泡幕光散射信号是随机信号。     

小角前向散射测粒仪探测器偏心对颗粒粒径测量的影响

基于Mie散射理论的小角前向散射激光测粒技术已广泛应用于各种领域。在该测粒技术中要求光电探测单元中心与入射光轴严格对中,以保证测得的散射光能分布及所得粒径分布的准确性,然而在实际测量中很难保证精确对中。利用Mie散射理论,通过模拟计算研究对中不良（主要是偏心）对测量结果的影响,并对结果进行了分析。     

模拟尾流气泡幕中的气泡率及声速

文中通过对尾流气泡幕模型的分析与计算,利用伯努利方程计算出实验室模拟的气泡幕的气泡率,针对级联气泡生成装置内部压强、注水深度等参数进行分析,结果表明:在实验范围内,较大压强差会产生较大的气泡率,气泡幕中的声速随气泡率的增大而变慢.     

利用蒙特卡罗法描述光在水中多前向散射

利用蒙特卡罗法模拟光在水中的传播特性。把计算机提供的均匀分布的伪随机数 ,变换成为与描述媒质散射、吸收特性的函数一致的分布。把光线散射发生后相对坐标系变换成光线散射前绝对坐标系。模拟的结果表明 :经过海水散射的光是喇叭状展开 ,且中间的光子密度大 ,向四周逐渐减小。     

激光在海水中的衰减特性

分析了光在海水中的吸收效应和散射效应;并通过使用半解析蒙特卡罗方法模拟了蓝绿激光在海水中的传输过程,获得前向散射光斑截面光子数随散射角平均余弦值、衰减系数、海水单次散射反照率和距离等参数变化而变化的规律,即随着传输距离的增加,前向散射光斑截面光子数增大,达到一定距离后,增加趋于平缓;光子数随着传输距离的增加呈类指数下降的趋势;相同传输距离、不同水质参数,光子数差异较大。研究结果对水下激光目标探测有一定的参考价值。     

利用蒙特卡罗法描述光在水中多前向散射

利用蒙特瞳罗法模拟光在水中的传播特性。把计算机提供的均匀分布的伪随机数，变换成为与描述媒质散射、吸收特性的函数一致的分布。把光线散射发生后相对坐标系变换成光线散射前绝对坐标系。模拟的结果表明：经过海水散射的光是喇叭状展开，且中间的光子密度大，向四周逐渐减小。     

纤维蛋白原与白蛋白的光散射特性

利用激光散射法对健康人血中的纤维蛋白原及生物制品白蛋白的光散射特性进行了研究，测量了不同浓渡下这两种大分子的散射光强和透射光强，并给出了相应的微现散射系数，对研究血中成分的微观特性和基于光散射方法设计医疗检测仪器提供了理论依据．     

水中气泡的特性研究

概述了水中气泡的密度与从水面算起的深度、水面的风速之间的关系;给出了一般情况下的小气泡,中等气泡,大气泡的运动规律,并阐述了气泡的光散射特性以及一种计算光学特性的简单方法。文中详细阐述了利用光学方法来研究气泡所需淑及的问题,为气泡的光学特性研究指明了方向。     

混响背景下双基地声呐的探测范围分析

为了讨论混响对双基地声呐探测范围的影响,利用经验证的三维散射模型,讨论在不同入射、散射掠射角和散射方位角约束下的海底散射强度分布.根据双基地配置的几何特性,分析对混响有贡献的界面散射面积.以浅海为例分析比较不同基线长度时,混响与噪声限制下不同位置的目标在接收基地阵元输入端所形成的信干比.结果表明,混响限制下,双基地声呐的探测范围与混响强度相关.由于面临较强前向散射和侧向散射的影响以及直达波的强干扰,在近距离上,将出现探测盲区.     

典型气溶胶颗粒对激光大气传输的作用机理

气溶胶颗粒影响紫外光通信和红外光通信。选取0.28μm、1.55μm和3.8μm三种波长激光,沙尘、霾、煤烟、雾四种气溶胶颗粒,研究不同种类气溶胶颗粒对激光大气传输的影响。结果表明：复折射率虚部较大的颗粒对入射光能量的吸收不受激光波长影响;复折射率虚部较小的颗粒对0.28μm波长激光有强烈的散射作用,几乎不存在吸收作用。颗粒尺寸影响散射光能量分布,大尺寸颗粒前向和后向散射光能量之差为10³～10⁴。在待测颗粒的侧向90°和后向120°散射角位置,探测器便于区分不同尺寸颗粒的散射光能量。该研究有助于理解气溶胶颗粒对激光大气传输的影响。     

水下物体的前向声散射建模与实验观测

为了研究水下信道中物体对声波的前向散射现象,建立了水下物体前向声散射计算的虚源模型,在消声水池中进行了模型实验,并在湖上进行了运动物体前向散射的验证性实验.仿真结果表明,物体的前向散射信号强度远远强于后向散射信号强度.测量得到柱形壳体的前向散射目标强度,和理论结果相比差别保持在3 dB左右.湖上实验结果表明,使用周期性LFM连续波信号可以观测到物体前向散射对接收声场的影响.