尾流气泡分布及光散射特性研究

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舰船在水上运动及螺旋桨的空化作用会将空气带入水中形成含有大量气泡的气泡幕,运动的气泡幕即尾流。其光学方面的特性和应用是目前的一项新兴科学研究项目,对于军事以及民用等某些方面具有重大意义。利用尾流气泡幕的光学特性作为数据信息来探测、跟踪水里面的生物以及舰船等目标是一种新的思路和方法,具有探测距离遥远、不会受到电磁以及噪音等一系列因素干扰而且命中精度高。本论文对尾流气泡的分布特性及光学特性进行了分析,重点研究了气泡的光散射特性。首先研究了尾流气泡的分布特性,对其运动速度和尺度变化及数密度变化作了研究,得出气泡的临界半径是44.2μm,并且,徘徊于临界点的气泡存活的时间是最久的,也就是说,半径是40-50μm的气泡存活的时间最久,其密度也就最大。其次,在研究了气泡分布特性的基础上将Mie散射理论应用于单气泡的光散射,在单个气泡散射模型的基础上进一步讨论了气泡幕散射的性质,建立蒙特卡洛模型对气泡群的光散射作了理论研究;通过模拟计算,表明用蒙特卡罗方法研究气泡群的光散射非常可行,给尾流的光探测提供了一个十分实用的方法。研究了尾流远场中散射光能量分布,对前向散射和后向散射光能量分布做了比较。最后,建立后向光散射实验模型,重点研究了尾流气泡的后向光散射特性,研究表明:(1)随着舰船后尾流距离的不同,气泡幕对后向散射信号的影响不明显,并且散射相位函数的变化也较小。(2)舰船尾流气泡幕在激光的入射下能产生明显的散射信号,且随着尾流距离的增加,后向散射信号逐渐减弱,在尾流中心区下部,其后向散射光的强度最大。(3)在模拟实验中,如果水面平静,不管是在不同的信号幅度还是在频率成分的分辨上,均可以很好地辨别气泡的存在情形,假设水面的波动非常大,依靠所接收的信号频谱也能够分辨气泡是否存在和其分布。基于实验以及理论两方面研究的基础上,能够知道当气泡半径小于1000μm的时候,气泡的运动速度与其半径成线性增长关系,同时此数量级的气泡后向散射十分明显,它的散射光为180度的时候达到最大值,根据尾流的后向光散射特性进行目标探测以及跟踪是可行的。
摘要第3-5页
Abstract第5-6页
1 绪论第9-14页
    1.1 尾流简介及研究方法第9-10页
    1.2 研究背景与意义第10-11页
    1.3 目前尾流气泡光学特性国内外研究状况第11-12页
        1.3.1 国外研究现状第11-12页
        1.3.2 国内研究现状第12页
    1.4 本论文主要研究工作第12-14页
2 舰船尾流气泡分布特性研究第14-18页
    2.1 引言第14页
    2.2 气泡运动的速度以及尺度变化第14-16页
        2.2.1 气泡运动的速度第14-15页
        2.2.2 气泡尺度变化第15-16页
    2.3 气泡的具体分布和数密度的改变第16-17页
    2.4 本章小结第17-18页
3 气泡光散射特性理论研究第18-28页
    3.1 引言第18页
    3.2 单气泡的Mie散射理论第18-20页
    3.3 尾流截面光散射特性第20-23页
        3.3.1 单气泡的散射第20页
        3.3.2 尾流截面气泡幕散射第20-23页
    3.4 构建气泡幕的蒙特卡罗模型第23-26页
        3.4.2 确定光子行进步长第24页
        3.4.3 确定光子散射的方向第24-26页
    3.5 本章小结第26-28页
4 尾流远场中散射光能量分布第28-35页
    4.1 引言第28页
    4.2 能量分布函数理论推导第28-29页
    4.3 气泡幕分布数学模型第29页
    4.4 数值的计算及分析第29-31页
    4.5 尾流远场中前向散射特性分析第31-34页
        4.5.1 前向散射实验装置及气泡分布第31-32页
        4.5.2 气泡群散射相函数及前向散射能量分布函数分析第32-34页
    4.6 本章小结第34-35页
5 尾流气泡后向光散射研究第35-44页
    5.1 引言第35页
    5.2 后向光散射信号的Monte Carlo模拟第35-39页
        5.2.1 尾流气泡分布模型第35-37页
        5.2.2 建立Monte Carlo模型第37-39页
    5.3 实验室对于后向光的散射实验分析第39-42页
        5.3.1 实验装置第39-40页
        5.3.2 激光在气泡后向散射中的特性分析第40-42页
    5.4 本章小结第42-44页
6 总结与展望第44-47页
    6.1 论文总结第44页
    6.2 工作展望第44-47页
参考文献第47-50页
攻读硕士期间发表的论文第50-51页
致谢第51-53页
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