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。     

大气散射对激光角度欺骗干扰影响的研究

根据光的粒子性,用蒙特卡罗法构建单个光子在大气传输中的散射模型,研究大气散射对激光角度欺骗干扰效果的影响.结果表明:①非对称因子、大气传输距离和消光系数等对干扰脉冲信号强度有不同程度的削弱,散射产生的迂回路径延迟了干扰脉冲到达导引头探测器的时间.②激光干扰脉冲在大气散射作用下脉冲展宽效应不明显.     

一种激光脉冲水下传输时域展宽模拟计算方法

激光脉冲是目前水下无线光通信信号的主要形式,针对水下传输时由多重光散射引起的激光脉冲时域波形展宽问题,采用简单的小角度近似方法进行分析.将经典电子散射理论应用于光子散射研究,从L. B.Stotts模型出发,通过选择合适的水体散射相函数,推导出激光脉冲波形表达式,模拟计算在一定水质条件下脉冲传输不同距离后的脉宽.模拟结果与实验测量数据吻合,并且在较长距离时的精度优于传统模拟方法,验证了该方法的有效性,为解决水下较长距离时激光通信码间串扰问题提供依据.     

基于微气泡散射的水下无线光通信复合信道建模

海浪、船舶尾流以及海洋生物游动与呼吸等原因会导致海水中存在大量的气泡,气泡群带来的散射效应对光信号的水下传输具有重要影响,但典型的水下无线光通信信道模型一般不考虑气泡群带来的负面效应。为了进一步完善传统的水下无线光通信信道模型,本文利用Mie散射理论分析海水中的微气泡及微气泡群光散射特性,基于蒙特卡洛法建立包含气泡散射的复合海水信道模型,分析不同海水水质、气泡密度、链路距离等参数条件下接收端的光学特性和信号特性。结果表明:当链路距离为5m时,随着气泡密度的增大,接收端光斑的弥散程度加剧,其面积可增至初始大小的3～5倍,中心能量也显著降低,最多可降至最大值的05;当链路距离为10～40m时,气泡群的存在以及链路距离的增长会导致接收端第一次接收到光子的时间延长约10～200ns,且使脉冲展宽值增大;当链路距离为2～10m时,气泡群密度的增大最多可使归一化接收功率降低至初始值的0004,但随着水质的恶化,其他粒子含量提高,气泡群对接收功率的影响逐渐减小。该研究可以为水下无线光通信系统的设计和理论分析提供参考。     

威胁源参数对激光散射截获半径的影响

在利用Mie散射理论对1.06 μm脉冲激光在低空大气中传输时散射辐照度的分布进行了分析计算的基础上,以激光测距信号为例,讨论了激光威胁源参数（脉冲能量、脉冲宽度、威胁源距离等）变化对激光告警散射截获半径的影响,结果表明：威胁源参数变化会对激光散射截获半径产生明显影响。因此,在考核和使用激光告警设备时,必须考虑威胁源参数变化因素的影响。     

混沌脉冲激光雷达水下目标探测

海水对光波的吸收和散射,严重制约了激光雷达水下目标探测的性能。通过对激光在海水传输过程中产生后向散射的定量分析,说明了激光回波信号被海水后向散射影响的严重性。分析比较了距离选通技术和强度调制技术抑制海水后向散射的能力,提出了使用自身具有高频强度调制特性的混沌脉冲激光进行水下目标探测,设计了基于相关法测距的混沌脉冲激光雷达水下目标探测方案。通过对后向散射光以及带有不同后向散射强度的回波信号光的时域和频域特性的研究,使用互相关噪声水平算法判定混沌脉冲激光雷达抑制海水后向散射的能力。理论仿真分析表明,当后向散射光强度是混沌脉冲激光强度36倍时,仍能提取出目标信号。     

沙尘暴多重散射对激光脉冲传输的影响

根据光脉冲在离散随机介质中的传输理论,应用米氏理论和蒙特卡罗方法,研究了不同能见度情况下1.06μm脉冲激光在沙尘暴中的传输特性。得到了双频互相关函数的幅度和相位随相干带宽、脉冲时域展宽和延时随能见度的关系。结果表明,脉冲的展宽和时延随沙尘暴能见度的变化非常显著。当能见度为3~5 km时,多重散射对脉冲双频互相关函数、脉冲展宽和延时的影响已较明显。当能见度小于1 km时,对于1 ns的输入脉冲,其展宽大于10 ns,延时大于15 ns。因此,当沙尘暴的能见度较低时,必须考虑多重散射对激光脉冲频域及时域特性的影响。     

基于多元分析的水下气泡幕激光后向探测

分别采用光在水下的传输理论以及Mie光散射理论对水体和气泡幕的后向光散射特性进行分析,发现它们在空间分布上存在不同。水体的后向光散射在空间分布上是单调递减的平滑曲线,而气泡幕的则呈现复杂的变化。据此提出了一种新的水下气泡幕激光后向探测方法。该方法通过多元探测器对后向散射光信号进行接收,通过空间分析实现对气泡幕的探测。实验结果表明,该方法可实现对水下气泡幕尤其是远距离气泡幕的有效探测。     

尾流气泡激光散射的测量

采用收发分置的光学结构实现了尾流气泡对532 nm激光在散射角5°～175°内的散射测量,同时测量了水的激光散射。散射角度的改变是通过发射系统不动而转动接收系统来实现的。解决了散射信号大动态范围的压缩问题,讨论了接收视场内散射体积随散射角的变化。分析了气泡散射的信号特征,并提出了气泡散射信号的功率谱密度处理法。将实验结果与米氏理论结果进行了对比,发现尾流气泡的激光散射强度及其随散射角的变化趋势与米氏理论结果吻合得很好,与水的散射相差近一个数量级。研究结果表明利用激光可以将气泡和水的散射区别开,即利用激光探测尾流气泡的存在具有可行性。     

大气中激光散射信号的特征分析

利用米氏散射理论,对1.06μm脉冲激光在低空大气中传输时的辐照度的分布进行了理论分析和数值计算,得到了都市郊区大气模型条件下,不同离轴距离时辐照度随时间的变化曲线,并对其峰值位置随离轴距离的变化进行了数值分析。进一步的数值分析表明,脉冲激光在传输过程中出现最大辐照度的位置距出口的距离与离轴距离成反比关系。在分析散射信号时域特征的基础上,对利用该特征对激光光源的定向可行性进行了初步探讨,认为单个探测器难以实现对激光源的定向,因此提出了用多个散射探测器对激光源进行定向的方法。     

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。     

空射激光制导武器对舰船隐蔽指示特性研究

舰载光电对抗系统是舰载装备电子防护对抗光电制导武器的重要手段。为提高激光精确制导武器对舰船攻击过程中的突防成功概率,研究了激光制导对舰船攻击的尾流偏差指示方法。结合舰船尾流气泡特性、激光半主动激光制导模式、尾流气泡激光散射特性模型,建立了空射激光制导武器对近水面层舰船尾流气泡探测模型。对激光照射舰船尾流不同区域、不同天气情况、不同照射角度下散射特性进行了仿真。研究结果可为新型激光精确制导武器对舰船隐蔽突防打击提供参考。     

水中气泡光学特性的蒙特卡罗模拟

基于Mie散射理论的单个气泡光散射,考虑光的多次散射,用蒙特卡罗方法模拟计算水中气泡群的光散射特性.计算结果表明：光的后向散射随气泡数密度的增加而明显增强,并且在折射率较大的海水中这种增强会更加明显,从而说明利用尾流中气泡群的光散射特性研究光自导鱼雷是可行的.     

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。     

舰船尾流激光制导方法的研究

为了研究鱼雷的激光尾流制导方法,分析了舰船航行时所产生尾流的几何特征和光学性质,讨论了舰船尾流中不易在短时间内消失的微气泡对激光的散射特性,提出了利用激光在尾流区域内、外传输时,其前向或后向散射激光在时域、频域和空域中光学参数的变化来快速、准确地判别鱼雷是否进入、穿出尾流,从而导引鱼雷沿目标舰船的航迹靠近目标的新型鱼雷制导方法。讨论了实现鱼雷激光尾流制导的几种不同途径,得出了上视激光尾流制导是一种既不会破坏鱼雷雷体的流线性结构,又可以通过激光扫描来确定尾流边界的先进的鱼雷制导方法的结论。     

水体散射对气泡后向光散射特性的影响

采用Lambert-Beer定律对水中气泡幕前向、后向散射激光功率进行了理论推导,得出了接收信号信噪比的计算公式.采用光学遮挡的方法对近距离水体后向光散射信号进行屏蔽,采用激光功率计对后向光散射信号进行测量.结果表明,近距离水体后向光散射对气泡的后向光散射影响显著,对近距离水体的后向光散射信号进行抑制,可以显著提高接收信号的信噪比.     

远场微气泡尾流的后向散射线偏振度探测法

针对后向散射光强特性难以探测远场微气泡尾流的问题,利用矢量Monte Carlo方法对气泡尾流的多层多分散模型中线偏振光入射时后向散射的光强和线偏振度信号进行了仿真。验证了光强信号的"双尖峰"特性,同时发现了线偏振度信号的"双下降速率"特性,根据此特性提出了气泡尾流的线偏振度探测法。与常用的光强探测法相比,该方法的探测距离更远,气泡半径更小,是一种有效的远场微气泡尾流探测法。     

舰船尾流激光探测跟踪方法与试验

舰船尾流激光探测跟踪是水下航行器对舰船进行探测、识别、跟踪的新手段。论文基于舰船尾流分布特性、气泡目标特性,采用蒙特卡洛仿真方法,实现了多尺度、宽数密度、大厚度舰船尾流气泡群的后向散射回波信号特性仿真,得到了水下航行器载激光探测系统在搜索、跟踪阶段信号的变化趋势,以及不同目标舰船的激光后向回波信号变化强度,可有效模拟激光探测系统对舰船尾流目标特性的真实跟踪状态。对于大型船只,当激光探测系统位于尾流之下时,航行器距舰船目标越近,尾流气泡激光回波越强,脉冲宽度展宽幅度越大;当激光探测系统位于尾流之中时,航行器距舰船目标越近,尾流气泡激光回波越弱,脉冲宽度变窄幅度越大。探测系统位于尾流之下时与探测系统位于尾流之中时,信号变化相反。小型船只信号变化趋势基本与大型船只保持一致,但尾流激光探测回波强度变低。开展了湖泊环境下船舶尾流激光探测跟踪试验,当探测系统在尾流之下时,大型船只尾流激光回波信号信噪比高,小型船只尾流激光难以检测。探测系统位于尾流之中时,大小船只尾流激光探测系统都可实现有效探测。论文可为舰船尾流探测实际工程应用提供支撑。     

抽运光参数对玻璃中受激布里渊散射光能量提取效率的影响

以K9玻璃与熔石英玻璃代替传统的液体或气体作为纵向受激布里渊散射(LSBS)样品,波长1.064μm,脉宽可调的单纵模电光调Q激光器作抽运光,实验探讨了抽运光脉宽、抽运光能量大小、抽运光脉冲重复频率对纵向受激布里渊散射脉宽压缩效应和散射光能量提取效率的影响。实验结果表明,抽运激光脉冲重复频率高,则散射光能量提取效率高;脉宽小,则散射光能量提取效率高;焦距为500 mm时300 mm长的K9玻璃中得到的散射光能量提取效率比170 mm长的熔石英玻璃高;在抽运光脉冲重复频率为1 Hz时,二者都可以得到90%的散射光能量提取效率。探讨了抽运光为多纵模时,固体介质中受激布里渊散射与光学击穿相伴发生的三种不同情况。实验证明,多纵模情况下固体光学介质中同样可以发生受激布里渊散射;多纵模情况下不一定会对固体光学介质产生光学击穿破坏;光学击穿破坏的发生也不一定会阻止受激布里渊散射的发生,二者可以相伴发生。     

基于anti-Stokes Raman散射温度效应的温度解调理论研究

激光脉冲进入光纤中,与光纤分子相互作用,产生Raman散射和Raylei曲散射。由于Raman散射具有温度效应,其散射光强度受温度调制,可作为温度信息的载体,用于温度解调及测温系统设计。本文提出了可行的温度解调方法及理论推导,并推导出单通道和双通道条件下的测温关系,设计出两种条件下的传感器系统。