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。     

水中气泡激光后向散射衰减特性研究

采用Lambert-Beer定律对水中气泡后向散射光功率进行理论分析,并采用激光功率计对位于不同距离以及不同密度的气泡幕后向散射光功率进行测量,对测量数据进行了统计和分析.结果表明,气泡的后向光散射信号相当微弱,但由于气泡幕的存在,后向散射光功率有所增强;气泡幕后向散射光功率随气泡幕与探测器之间的距离变化,其关系服从Lambert-Beer定律;后向散射光功率与气泡密度有关,气泡密度越大,后向散射光功率越大.     

水下气泡幕激光后向探测中的背景噪声抑制

水下气泡幕的激光后向探测中,背景噪声尤其是水体的后向散射光信号对信号的接收和处理造成了严重的干扰.对该问题进行分析,并进行了实验研究,调整发射器和接收器之间的距离,对后向散射光信号功率进行实测,对数据进行了比较分析.结果表明,适当增大接收器和发射器之间的距离,有利于水体后向光散射信号的抑制,可提高有无气泡幕信号之间的差异,从而提高水下气泡幕激光后向探测的能力.     

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。     

基于蒙特卡罗的气泡后向散射信号的视场分析

为了研究气泡后向散射信号强度与气泡位置及接收发射视场之间的关系,采用蒙特卡罗方法对存在水槽边界条件下的水中气泡幕后向光散射回波信号进行了系统仿真,并结合实际的水槽实验,对不同气泡幕位置及接收发射轴夹角情况下的后向散射信号进行了理论分析和实验验证,取得了相应的气泡幕后向散射信号强度的实验与仿真数据.结果表明,对不同的接收发射轴夹角,存在一个回波峰值,且该峰值对应的接收发射轴线的夹角与气泡幕位置存在一一对应的关系,这一结果对实际海况下的舰船尾流气泡后向散射光探测试验是有帮助的.     

基于蒙特卡罗的气泡后向散射信号的视场分析

为了研究气泡后向散射信号强度与气泡位置及接收发射视场之间的关系,采用蒙特卡罗方法对存在水槽边界条件下的水中气泡幕后向光散射回波信号进行了系统仿真,并结合实际的水槽实验,对不同气泡幕位置及接收发射轴夹角情况下的后向散射信号进行了理论分析和实验验证,取得了相应的气泡幕后向散射信号强度的实验与仿真数据。结果表明,对不同的接收发射轴夹角,存在一个回波峰值,且该峰值对应的接收发射轴线的夹角与气泡幕位置存在一一对应的关系,这一结果对实际海况下的舰船尾流气泡后向散射光探测试验是有帮助的。     

浑浊水体激光后向散射特性仿真与实验研究

由于水体的吸收和散射作用,光束能量在传播的过程中会产生衰减,激光脉冲会被展宽,制约着水下激光雷达的探测范围和探测精度。文中以浑浊水体环境下水下弱小目标探测为应用背景,建立了水下光子传播的蒙特卡洛仿真模型,模拟了不同衰减系数和散射率的水体后向散射回波信号,并对相应的水体后向散射回波信号变化趋势进行了分析。仿真结果表明：随水体衰减系数的增加,近场水体激光回波信号接收光子数逐渐增多;随水体散射率的增加,回波信号光子消亡速度逐渐降低。开展了不同浊度下的激光雷达回波信号的测试实验,实验结果表明：随水体衰减系数的增加,水体激光后向散射回波幅度逐渐增高,脉冲宽度逐渐展宽。在进行浑浊水体水下弱小目标探测时,随水体衰减系数的增加,应通过逐渐减小激光器能量或接收系统增益来增强水体回波与目标回波之间的差异,以此提高浑浊水体水下弱小目标探测的信噪比。实验验证了理论与仿真结果,为浑浊水体环境下水下弱小目标激光探测系统在不同水质下的激光能量选取、接收系统增益设计等提供理论支撑。     

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。     

舰船尾流的前向光散射对光束衰减测量的影响

为优化前向光尾流自导的探测系统的设计,分析了舰船远程尾流中气泡群的前向光散射对测量气泡群衰减系数的影响。根据消光定理和Mie理论,推导了单散射条件下测量气泡群衰减系数的公式,给出了因前向光散射导致的测量误差因子和修正因子的表达式。基于此表达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误差因子和修正因子进行了数值计算,分析了探测系统的接收视场角和气泡表面附着的有机膜对衰减系数测量的影响。结果表明,前向散射对尾流气泡群的衰减测量影响很大,在前向1°的散射角范围内这种影响尤为显著;气泡表面附着的有机膜对尾流气泡群的衰减测量影响很小。     

多尺度复杂水质尾流气泡的激光探测仿真与实验

舰船尾流气泡具有尺度范围大、稀疏、离散等特征。利用蓝绿激光的海水穿透性能以及气泡对激光的后向散射特性，可以实现舰船尾流气泡的远场检测。舰船尾流的稀疏、离散特征导致气泡的激光散射回波信噪比极低，对光学接收处理系统及尾流信号处理方法带来了困难与挑战。建立了舰船尾流气泡的激光后向散射模型，通过蒙特卡罗仿真验证了不同水质、不同气泡距离和不同尺度气泡的激光后向散射特性，设计了可抑制近场水体强散射干扰的水下气泡激光测试分析系统，实现了激光能量与雪崩光电二极管接收增益间的匹配调节。针对室内和湖泊环境，开展了不同水质和光电探测参数下的尾流气泡检测性能测试，通过对数据进行统计处理分析得到了舰船尾流气泡的激光探测特征规律。设计的水下气泡激光测试分析系统可以实现对舰船尾流气泡的有效探测，为舰船尾流探测系统在不同水质环境下的工程应用提供了理论及数据支撑。     

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。     

水下气泡幕激光后向探测中的信号起伏和干扰抑制

水下气泡幕的激光后向探测实验中发现,由于气泡幕的存在,信号有时得到增强,有时会减弱。对该问题进行分析,将探测区域分为三个组成部分,对三部分信号进行比较分析,从而找出影响信号强度的因素,并通过实验进行验证。结果表明,信号的强度是增强还是减弱,主要取决于气泡幕本身的信号强度,它与气泡幕的距离以及气泡密度等因素有关。对同一距离上相同密度的气泡幕进行探测,适当增大探测器和发射器之间的距离,可以提高有无气泡时的差异,从而提高系统探测性能。     

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。     

用于VLC的LED半功率角优化布局方法研究

提出通过优化发光二极管(LED)半功率角的布局来提高室内可见光通信系统性能的方法。4种典型的LED布局方式的仿真结果表明,该方法对于提高可见光通信系统的信噪比、降低信噪比的波动有明显效果。对于均匀的LED布局方式,信噪比的波动从未优化时的5.2 d B大幅下降到0.3 d B。该方法不需要调节LED的功率,更适合于工程运用。     

前后向散射特征分析下的白细胞亚型分类识别仿真研究

针对传统流式细胞分析技术中,细胞亚结构形态识别困难以及荧光染色又会改变细胞活性问题的研究需要,依据淋巴细胞和嗜酸性粒细胞形态特征建立了对应的偏心单核细胞模型及双核细胞模型。基于光散射理论下的仿真实验软件,设计了可同时接收细胞前向和后向散射光谱的仿真实验光路,获得了这两种细胞模型下的散射分布图谱,由此建立了不同核质相对折射率下的前、后向散射光光强与442、532、633 nm入射波长关系。通过前、后向散射光谱特征分析,发现在以后向散射光信号为纵轴,前向散射光信号为横轴表征下,淋巴细胞和嗜酸性粒细胞具有明显的分类分区散点特征,从而提出了一种淋巴细胞以及嗜酸性粒细胞的分类识别方法。该散射分类识别计数方法对于设计全光学、非入侵、免标记的血细胞分析仪有一定的潜在应用价值。     

不同扩束倍数条件下水中气泡的光探测效果

基于米氏散射理论,近似计算了扩束装置对水下气泡幕后向光散射功率的影响,并对距离求导,分析其变化规律;接着在不扩束,3倍扩柬和8倍扩束的条件下进行实验,从实验结果中可以看到,采用3倍扩束装置时探测器的接收功率最大,而且对气泡幕距离变化非常敏感,能够增强水下气泡光探测效果．     

尾流气泡幕的光后向散射幅度谱特性分析

在实验的基础上提出了一种用激光后向散射信号的幅度谱进行探测和识别气泡的新 途径。通过对后向散射光信号的幅度谱分析,根据静水与气泡幕的散射信号谱线的不同,可较好地识别气泡,对气泡后向散射较弱的信号该方法也同样适用。