差动激光多普勒尾流探测方法

利用差动激光多普勒探测法,研究了能够探测尾流中气泡和湍流分布的光学诊断方法。实验研究了模拟尾流场中运动气泡及湍流的后向散射光的多普勒频移谱特性。采用差动相干探测法获得了模拟尾流场的流速,测量值与实际流速误差小于1.5%。实验结果表明:相干光束夹角对散射光频移量具有明显影响,散射光多普勒频移量随两相干光夹角的增大而增大;气泡运动引起的频移主要集中在低频端,为一宽带谱;并且频移谱的宽度随气泡数密度的增大而增大。频谱的这一特征可作为舰船尾流识别的判据之一。     

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。     

基于激光多普勒效应的舰船尾流探测研究

为了改进鱼雷激光尾流制导方法,在激光多普勒效应的基础上,建立激光探测舰船尾流的理论模型,并设计出差动型光学系统,使探测器接收到的散射光信号产生多普勒频移,有效提高信噪比。仿真结果表明,通过锁相放大技术处理,能检出待测目标多普勒差频信号,并抑制噪声,在水中兵器领域有应用前景。     

舰船尾流气泡激光回波偏振压缩探测技术研究

对舰船尾流气泡探测是对舰船进行跟踪的一种独特的方法,采用蓝绿激光对尾流气泡 探测是可行的。在分析蓝绿激光在海水介质中的衰减特性基础上,提出采用偏振压缩技术对大动态范围的激光回波信号进行压缩,提高对尾流气泡探测的精度和深度。     

舰船气泡尾流激光雷达的关键技术

针对舰船气泡尾流激光雷达研发中的三项关键技术———复合散射理论研究、激光断层和偏振检测技术、后向散射抑制技术展开综述,总结了相关领域研究成果并提出新的技术方案。对复杂海洋环境下的激光复合散射理论进行了系统的分析,有针对性地给出了相关研究方法及研究关键点。提出利用激光断层和偏振检测技术对舰船尾流进行检测的新方法。基于Monte Carlo模型分析了尾流激光雷达近场后向散射光的大动态衰减规律,提出一种新的基于雪崩光电二极管的大动态范围信号接收技术。在国内首次成功研发尾流激光雷达样机并首次获得大量详实的海试数据。海试结果表明,该样机对8节航行下的千吨级民用船舶尾流探测距离大于3.7 km。     

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。     

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。     

基于独立成分分析的舰船气泡尾流后向散射光信号处理

光尾流自导鱼雷激光探测系统所获取的信号是水体和舰船气泡尾流共同产生的后向散射光信号,从该信号中提取出舰船气泡尾流的信息是光尾流自导鱼雷的关键技术。由于水体所产生的后向散射光信号强度大于舰船气泡尾流所产生的后向散射光信号,两个信号在时域和频域里的特征又十分接近,因此难以用传统滤波方法将其分离以提取有用的尾流信息。提出了采用盲源分离和独立成分分析的方法来处理激光探测系统所获取的信号,研究了盲源分离的算法,编制程序对课题组在激光探测舰船尾流海上试验所获取的数据进行了计算,结果表明:该方法可在不同探测条件下有效地将舰船气泡尾流场所产生的后向散射光信号从原始信号中提取出来,有利于系统正确判别舰船尾流及其特征。     

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。     

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。     

国内尾流光学检测研究进展

以检测参量为主线,综述了国内尾流光学检测近15年的发展历程。归纳了已有的连续激光散射强度检测、成像检测、脉冲回波检测和偏振检测等四大类不同的尾流光学检测方法,介绍了不同检测方法的基本原理、发展以及存在的问题。结合检测的新方法、信号处理与抗干扰技术、建立尾流特性数据库和拓展相关应用对尾流光学检测的进一步研究进行了展望。     

鱼雷激光尾流自导方法的研究

提出了基于尾流的光学效应的鱼雷激光尾流自导方法。舰船在航行过程中不可避免地会产生舰船尾流。舰船尾流的光学特性主要由尾流气泡的光散射效应所决定。普通海水中存在着许多作布朗运动的微粒(包括海水中的杂质分子、悬浮粒子、有机及无机溶解质、微生物和气泡等)，它们会对光波产生散射效应，但当光在存有大量气泡的尾流中传输时，光的散射效应就会大大增强。根据气泡的光散     

气泡激光散射信号处理方法

提出了阈值检测、降噪处理和功率谱估计三种分析和处理水中气泡激光散射信号的方法.利用这三种方法分别对不同散射角时的测量信号进行了处理,得到了水中气泡激光散射强度随散射角的分布特性.并将实验结果与米氏(Mie)理论结果及水的散射强度进行了对比,比较和分析了三种方法的优劣.阈值检测法和降噪处理法分别以平均值和绝对偏差为中心来估计气泡散射强度,它们不能隔离直流分量.功率谱估计法处理得到的气泡角散射特性与Mie理论结果一致,能够区别开气泡散射和水的散射,两者相差近1个数量级.实验结果表明功率谱估计法是最合理的处理气泡激光散射信号的方法.     

舰船尾流的激光散射特性

根据Mie 散射理论,在认为气泡不相干的情况下,计算了气泡在不同散射方向的散射强度,得出舰船尾流某个横截面上气泡群的光散射特性;计算结果表明气泡群的后向散射增强非常明显;舰船尾流横截面上尾流中心气泡的散射强度远大于尾流边缘处的散射强度,说明利用舰船尾流中气泡与背景海洋中的气泡对光散射的差异来作为鱼雷自导的一种手段是可行的。     

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。     

基于激光多普勒频移技术测量液流速度

基于多普勒频移和普勒相位差原理，利用粒子散射理论对液流速度进行了分析研究，并提出了实现该研究的实用技术。     

复杂混合尾流气泡场的激光探测特性研究

在实际舰船尾流激光探测过程中,激光探测系统与目标气泡层之间会存在杂质(气泡群、悬浮粒子),导致气泡回波信号信噪比降低。为了提高实际舰船尾流探测的信噪比,采用蒙特卡洛方法,仿真模拟了不同气泡层特性遮挡的情况,通过改变遮挡气泡层的厚度、数密度来探究其对目标气泡回波特性的影响,仿真得到：当遮挡气泡层存在时,回波信号会明显降低,且降低趋势随着遮挡气泡层厚度和数密度的增加而更为剧烈。搭建了实验室条件下的模拟舰船尾流激光探测系统,对不同气泡层特性遮挡的情况进行了验证,得到了遮挡效应会随着气泡层的厚度、数密度增大而不断变强的变化规律。对测试数据进行归一化处理,实现了仿真与实验的相互验证,可为舰船尾流激光探测工程化提供支撑。     

舰船尾流共轴激光雷达近场抑制比的计算方法

水下激光雷达在近场就已经发生了激光的多次散射,其共轴光学系统对近场水体的强散射信号将具有一定的抑制能力,可防止接收系统饱和。研究共轴光学系统近场抑制比的计算方法具有重要意义。分析讨论了常规光子返回贡献公式不适于近场计算的原因,提出新的水下近场共轴光学系统的返回贡献公式及基于坐标变换的简单计算方法,结合Monte Carlo仿真计算了水下近场抑制比。分析计算了近场抑制比、抑制时长与激光脉冲宽度的关系,结果表明:该方法完全可满足水下共轴光学系统计算的需要。     

舰船尾流中脏气泡光的散射特性

阐述了舰船尾流气泡的分布特性和气泡数密度的衰减特性．基于Mie散射理论。计算和分析了干净气泡和脏气泡光的背向散射特性，群体干净气泡和脏气泡光的背向散射特性．     

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.