水中颗粒物大角度范围体散射函数测量方法

针对现有体散射测量系统中激光器与探测器相互遮挡导致探测角度减小的问题,设计了一款新型的水中颗粒物的体散射函数测量系统。首先,通过双潜望式光路结构,将激光发生平面与散射探测平面分离,减小了激光器对探测角度的遮挡;同时,通过潜望式出射棱镜将透射光导出水体,避免了容器的杯壁散射,提高背散射测量的准确性。根据实际工艺,改进出射棱镜,设计系统样机,实现了3°~178°大角度范围体散射函数的测量。结合系统结构与水下光传输原理,根据数据矫正算法,矫正由于测量光程及水体衰减造成的偏差。对比矫正后结果与米散射仿真结果,证明方法的可靠性。     

舰船远程尾流气泡群的前向光散射特性研究

利用Mie理论计算了舰船尾流气泡群的归一化体散射函数和散射能量分布函数,分析了尾流气泡群的前向光散射特性。计算和分析结果表明,气泡群的前向散射光强度远大于后向散射,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显著地增强气泡群的后向散射,但对前向散射的影响不大。     

海水衰减系数的多角度后向散射测量技术研究

提出了一种基于后向散射式激光雷达方程的海水衰减系数现场快速测量方法.该方法通过接收角度的调整,得到不同距离、不同散射角度下的水体散射光信号,并根据由后向散射式激光雷达方程推导出的衰减系数公式计算测量水域的衰减系数.实验结果表明,采用多角度后向散射测量的方法得到的水体衰减系数的测量误差可控制在8%以内,且由实验结果的误差分析可知,随着系统与计算方法的改进,系统的测量误差可得到进一步减小.     

三维离轴散射探测与定位方法研究

论文在分析激光传输与探测器结构特点的基础上,建立了三维离轴探测模型;计算了球形粒子对高斯光束的散射光强度分布,得到了探测器有效面积上的光通量公式;由于激光主脉冲光束与散射光都以光速传播,不同散射点的散射光到达探测器所需的时间不同,提出了利用延迟时间对三维空间激光进行测量与定位的方法.延迟时间与离轴距离和探测角有关,在远离光源、近轴探测时,延迟时间与离轴垂直距离和探测角呈简单的线性关系,因此,可以通过精确的时间测量,实现对激光的散射探测.     

可溯源至MOR定义的标准散射体定标方法

针对目前标准散射体定标存在定标时间长、定标后通用性差、定标结果无法溯源到气象光学视程（MOR）定义等问题，提出了一种可溯源至MOR定义的标准散射体定标方法，确定了一种标准散射体多角度同步定标光学系统架构，优化设计了照明光学系统与光场测量光学系统。照明光学系统的均匀性为98.53%，发散角为1.48°；光场测量光学系统的散射角度测量范围为20°～50°，散射角度分辨率为1°，周视角度分辨率为2°。研究了一种基于先验光场分布的定标系统能量校准方法，利用标准朗伯散射体仿真定标系统的能量校准误差，其中散射角度为31°时周视平均相对误差最大，为2.28%。据此，基于理想2700 K色温白炽灯的光谱分布仿真验证了可溯源至MOR定义的标准散射体定标方法的定标精度。结果表明：标准朗伯散射体散射角度20°～50°所表征的MOR量值范围为6.54～45.74 m，符合世界气象组织对MOR的定义，最大绝对误差为-2.41 m，优于国际民航组织规定的前向散射仪测量精度要求的1/10，为可溯源至MOR定义的标准散射体定标提供理论基础和技术支持。     

激光大气散射离轴探测分析

利用Mie散射理论,通过数值计算得到了1.06 μm激光在低空大气中传输时的散射特性;不同尺度参数的粒子的散射光强分布相差极大,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.通过对大气散射的辐照度理论分析和数值计算,得到大气散射的辐照度随离轴距离的增大而近似按反比规律下降的特征;同时,对不同能见度下的散射辐照度进行了数值计算,能见度的不同只影响散射强度的大小,而不影响散射强度的分布.不同散射点的散射光到达探测器所需的时间不同,延迟时间与离轴垂直距离和探测角呈简单的线性关系,这些特征为激光散射离轴探测提供了理论依据和参考.     

后向散射法测量湿蒸汽的实验优化方案的研究

为了提高实验的精度以及实验的可操作性,对后向散射法测量湿蒸汽的实验方案进行了优化研究。本文研究了入射光射入位置、入射光光强、散射光接收角度三个因素对实验结果的影响。实验结果表明,这三个因素对散射光光强以及其对应的灰度值具有较大的影响;当入射光光强为20 mw、入射位置为第四截面、散射光接收角度为后向30°时,可获取到最佳的散射光图像,此时为最优的实验方案。该实验方案的研究对后向散射法测量湿蒸汽具有重要的指导作用。     

基于激光后向散射测量蒸汽湿度的仿真研究

为了研究测量湿蒸汽特性对汽轮机组正常运行的影响,采用了一种利用激光后向散射原理及联合CCD成像原理来测量湿蒸汽的新方法,得到湿蒸汽直径相关参量的测量结果。结果表明,通过仿真得到了尺寸参量、接收角度等参量对后向散射光强的影响,以及一些参量的最佳取值范围;当接收角度为180°和接收距离为0.5m时,能够得到较高的散射比例。这为实际测量提供了一定的参考依据。     

基于光散射原理的雨量传感器灵敏度的研究

针对目前常用机械式雨量计存在的自身缺陷以及光学雨量计灵敏度较低等问题,提出了提高基于光散射原理的雨量计灵敏度的方法。通过分析散射理论基础,建立了散射光强、散射角度与体积的函数关系,并且仿真了其函数关系,根据仿真结果进行实验验证,研究不同波长以及不同角度对散射信号的影响。实验结果表明在偏移入射光方向的45°～50°之间放置光电探测器及光源选择650 nm波段的单色红色激光,能够有效提高传感器的灵敏度,该实验结果与理论分析基本一致。     

利用共轴多角度系统研究大气气溶胶前向散射的角度分布特性

从Mie散射理论的公式分析中发现,大气气溶胶的消光和散射角有关.设计了一种共轴多角度探测系统,利用该系统研究了气溶胶的消光随角度变化呈现的特性.该系统在不同的散射角上,对气溶胶的消光系数进行测量,通过实验数据分析得出:前向散射角在30°～45°之间的气溶胶散射消光系数与散射光强成线性.     

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.     

激光大气散射离轴探测建模及仿真

基于米氏散射理论,建立了波长1.064μm激光离轴散射探测模型。利用编程语言MATLAB设计了激光离轴散射探测仿真软件,该软件能够仿真计算多种大气传输条件下的散射辐射参量,并绘制相应的曲线。对激光告警散射截获半径评估和制导激光散射光特性进行了仿真计算,结果表明,该模型能够预测不同气象条件下的散射参量,为系统设计者和工程使用方提供了简便、快速的大气散射仿真工具。     

后向散射法测量蒸汽参数的CCD相机接收角优化

为了揭示汽轮机内湿蒸汽的具体参数和实现汽轮机湿蒸汽参数的有效测量,对基于后向散射法及联合CCD相机成像的湿蒸汽参数测量模型,提出了新的CCD相机接收角度,分析了不同散射角度对散射比的影响。结果表明,当散射光接收角度为后向7°时,可获取到最佳的散射比,此时信噪比最强,为最合适的接收角度。通过对后向7°角的散射光强在不同尺度分布参数K、水滴群的质量中间半径r-0.5、水滴数密度N下所呈现的变化规律进行分析验证,结果表明后向7°角的散射光强变化趋势与理论变化相吻合,从而为后向散射法测量湿蒸汽参数的研究提供依据。     

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。     

改进算法研究1064nm激光大气Mie散射特性

为了研究1064nm激光大气气溶胶粒子的散射特性,利用Mie散射累积相乘算法,对函数迭代式进行简化,减少存储数组,对无穷迭代进行有效截断,减少迭代次数。通过模拟得到单分系和多分系的散射分布特征,得出散射强度主要集中在前向小角度散射的结论,并讨论了散射光的偏振特性,得出散射光存在完全偏振光的结论。结果表明,改进算法具有收敛速度快、精度高的优点。     

改进算法研究1064nm激光大气Mie散射特性

为了研究1064nm激光大气气溶胶粒子的散射特性,利用Mie散射累积相乘算法,对函数迭代式进行简化,减少存储数组,对无穷迭代进行有效截断,减少迭代次数.通过模拟得到单分系和多分系的散射分布特征,得出散射强度主要集中在前向小角度散射的结论,并讨论了散射光的偏振特性,得出散射光存在完全偏振光的结论.结果表明,改进算法具有收敛速度快、精度高的优点.     

雾的前向散射对距离选通成像系统的影响

根据辐射传输和Mie散射理论,给出了分析雾的前向散射对距离选通成像系统影响的计算方法。首先,采用雾的含水量和能见度的经验公式估计雾滴谱。其次,已知雾滴谱计算Mie散射相函数;进而获得视消光系数。最后,给出了考虑前向散射光的影响时,前向散射光、后向散射光和信号光在距离选通成像系统光电阴极面上的照度随时间的变化规律,以及光电阴极面上目标与背景图像的对比度。结果是目标上的照度、后向散射光和信号光在光电阴极面上的照度增加,目标与背景图像的对比度降低;前向散射光在光电阴极面上的照度远小于后向散射光。     

激光后向散射法在测量湿蒸气中的应用研究

为了研究测量汽轮机内部湿蒸气特性,采用了基于后向激光散射法的测量新方法,得到不同角度不同位置湿蒸气散射光强度数据,从而得出湿蒸气相关参量,并求得湿蒸气水滴质量中间半径为1μm左右。结果表明,无湿蒸气时的空白数据对湿蒸气方法也有影响,需要修正公式;无论有无湿蒸气,30°的散射光光强均为60°的散射光光强的1.5倍左右,30°的散射光更明显适于测量。这一结果说明激光后向散射原理测量湿蒸气是可行的。     

一种基于退偏效应的激光尾流信号检测方法

针对激光探测尾流时尾流信号受水体散射干扰不易 检测的问题,提出利用线偏振激光通过无气泡水 体与其通过尾流气泡群区域退偏特性差异性,区分水体散射光与尾流散射光的信号。采用本 文的退偏探测方 法,对在不同探测位置和不同探测角度下、不同尺度气泡群体散射光信号的尾流进行测量。 实验表明,当尾流中气泡的尺度在10～150μm范围内时,本文方法 对前向或后向探测信号均行 之有效;随着气泡尺度的增大,退偏效应仅在前向散射光信号探测时呈现;水体散射光与 舰船尾流散 射光的信号在本文方法测试下呈现了明显的区别,并具有稳定的信号特征,可大幅度提高激 光探测尾流的能力。     

空气中自导光丝超连续辐射后向散射增强特性

由自导成丝效应产生的超连续辐射具有超宽带光谱、后向散射增强等一系列新特征,为激光雷达大气探测开辟了新的领域.通过测量飞秒激光脉冲自导光丝超连续辐射散射的角度分布,对不同条件空气中自导光丝产生的超连续辐射后向散射特性进行了实验研究.结果表明,在洁净空气和含气溶胶的空气中,自导光丝的超连续辐射都呈现出明显的后向散射增强特性.同时对超连续辐射后向散射的测量值进行拟合,拟合结果表明超连续辐射后向散射角分布满足洛伦兹(Lorentz)函数,在洁净空气中其角宽度为6.4°,后向180°时归一化散射强度是瑞利散射的3.2倍.超连续辐射沿光丝前向呈锥形辐射,其前向散射具有明显的波长依赖关系;而后向散射无明显的波长依赖关系.