王羽佳 宗思光 張 鑫

（海軍工程大學(xué) 武漢 430000）

1 引言

水面艦艇在航行時(shí)會(huì)將部分空氣帶入水中，加上螺旋槳的空化會(huì)在其尾部出現(xiàn)一條充滿氣泡的尾跡，可在艦船尾后延伸很遠(yuǎn)并可看做靜止目標(biāo)，且保持時(shí)間較長(zhǎng)，尾流的尺度很大，很難有假目標(biāo)模擬［1］。如能通過水下激光探測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)尾流的遠(yuǎn)距離探測(cè)，就相當(dāng)于在茫茫大海中鎖定了艦船，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船的追蹤和精確打擊。在實(shí)際應(yīng)用中，探測(cè)尾流運(yùn)用的比較廣泛的技術(shù)是聲吶探測(cè)，因?yàn)槁曉谒袀鞑サ木嚯x較遠(yuǎn)，能量損耗較小，魚雷上可以安裝特種小型聲吶實(shí)現(xiàn)精確制導(dǎo)和自動(dòng)尋的［2］。但是，水下環(huán)境復(fù)雜，聲在水中傳輸易受到噪聲的干擾，回波信號(hào)的質(zhì)量也會(huì)受到影響。

Preliminary Study on Different Sowing Depth of Rhizoma Atractylodis___________________________________LIU Li,GAO Che,CHEN Wang Xiang 73

激光可以彌補(bǔ)聲吶的不足，在水中傳輸不易受到干擾且方向性好。藍(lán)綠激光比其他波長(zhǎng)的電磁輻射有更強(qiáng)的海水穿透能力［3～4］，可以利用它來探測(cè)艦船尾流氣泡，從而確定艦船航跡。

本文提出了利用鉬絲電解水產(chǎn)生的微小氣泡模擬艦船尾流帶中的氣泡且利用其后向散射特性來研究水下激光微氣泡探測(cè)的方法，利用蒙特卡羅仿真驗(yàn)證其可行性后，嘗試搭建了水下脈沖激光探測(cè)微小氣泡系統(tǒng)并進(jìn)行了室內(nèi)的模擬實(shí)驗(yàn)。

2 水下氣泡后向散射光信號(hào)仿真

粒子形狀大小各不相同，其尺寸遠(yuǎn)大于光子尺寸時(shí)，可應(yīng)用米氏散射理論［5～6］建立模型。氣泡屬于微小半徑粒子，但其尺寸遠(yuǎn)大于光子尺寸，故光子發(fā)射到氣泡上被散射的過程可應(yīng)用米氏散射理論。由米散射公式可計(jì)算出光波長(zhǎng)為532nm時(shí)，不同氣泡半徑條件下的分布散射強(qiáng)度。圖1是波長(zhǎng)532nm，氣泡半徑為10μm和30μm條件下的散射強(qiáng)度圖。

圖1 單個(gè)氣泡的光散射強(qiáng)度分布

從圖1可以看出，粒子的散射強(qiáng)度在0°有相當(dāng)大的峰值，這說明粒子對(duì)光的前向散射是非常強(qiáng)的，但是在180°也可以看到有較強(qiáng)的后向散射，這說明可以利用氣泡對(duì)激光的后向散射探測(cè)水中的微氣泡。

專業(yè)教師要注重自身人文素質(zhì)的培養(yǎng)，善于用自己的言傳身教影響學(xué)生。在組織學(xué)生進(jìn)醫(yī)院觀察體驗(yàn)的過程中，教師既要熟練地運(yùn)用溝通技能與患者交流，還應(yīng)在交流中展現(xiàn)良好的醫(yī)德素養(yǎng)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)和觀察教師與患者的溝通交流的態(tài)度和行為中樹立”以患者為中心”的溝通理念[7]，提高自身的溝通技能。這將對(duì)學(xué)生未來的醫(yī)患溝通模式產(chǎn)生直接且深遠(yuǎn)的影響。

其中ξ為(0，1)間均勻分布的隨機(jī)數(shù)。準(zhǔn)直光束穿過傳輸介質(zhì)的能量變化如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)水槽長(zhǎng)18m，寬1.5m，右側(cè)壁有50cm見方的玻璃制觀測(cè)窗口，激光器發(fā)射光與氣泡層后向散射回波信號(hào)均可從觀測(cè)窗口發(fā)射和接收。在PC端設(shè)置激光波長(zhǎng)、功率后可打開激光器發(fā)射脈沖激光，回波信號(hào)進(jìn)入激光器后經(jīng)光纖進(jìn)入接收盒，接收盒可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)PC端調(diào)節(jié)增益大小后，將微弱信號(hào)放大，得到電流增益，之后經(jīng)過BNC線進(jìn)入示波器，示波器將回波信號(hào)的波形展示出來，而后在PC端軟件上進(jìn)行處理。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。

在理想條件下，光子在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，粒子均勻分布。在控制激光波長(zhǎng)、發(fā)射角、能量后發(fā)射激光束，激光束進(jìn)入水中，通過計(jì)算光子的運(yùn)動(dòng)路程和光子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)即可了解光子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在這里假設(shè)一個(gè)光子與介質(zhì)微粒發(fā)生的相鄰兩次碰撞之間存在一個(gè)自由運(yùn)動(dòng)過程，光子與介質(zhì)或微粒只發(fā)生碰撞［7］。

圖2 準(zhǔn)直光束穿過傳輸介質(zhì)

由表1可知，氣泡置于3m時(shí)，其近場(chǎng)回波信號(hào)均值與最大值都是遠(yuǎn)大于水體本身的回波信號(hào)的；而氣泡置于3.6m與4m處時(shí)，其近場(chǎng)回波信號(hào)均值與最大值較水體本身回波信號(hào)沒有太大變化，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是距離較遠(yuǎn)的氣泡產(chǎn)生的回波信號(hào)無法進(jìn)入近場(chǎng)接收系統(tǒng)的視場(chǎng)內(nèi)，近場(chǎng)接收到的回波信號(hào)仍是水體本身的回波信號(hào)。

圖3 單個(gè)光子兩次碰撞散射示意圖

之后，可利用概率統(tǒng)計(jì)的方法，計(jì)算單個(gè)光子的散射角。以此類推，掌握了光子每次自由運(yùn)動(dòng)過程的信息，就能獲得其在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的清晰軌跡。

3 激光探測(cè)水下微氣泡實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

由準(zhǔn)直光束在介質(zhì)中傳輸?shù)睦刹珊透怕式y(tǒng)計(jì)原理，即可得到計(jì)算光子運(yùn)動(dòng)自由程lp的隨機(jī)抽樣方法：

圖4 武漢水槽模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

鉬絲電解法是將鉬絲放入水中通過電解產(chǎn)生微小氣泡，氣泡產(chǎn)生速度快，尺度微小，在水中保持時(shí)間較長(zhǎng)，利于模擬尾流帶中主要探測(cè)的氣泡形態(tài)，且更易檢測(cè)本文中所用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的性能。鉬絲電解產(chǎn)生微氣泡如圖5所示。

記錄水中存在微氣泡時(shí)一分鐘內(nèi)的回波信號(hào)幅值情況，可得出回波信號(hào)的均值與最大值，如表1所示。

圖5 激光照射鉬絲電解產(chǎn)生的氣泡幕

水中放置氣泡幕時(shí)產(chǎn)生的回波信號(hào)為氣泡后向散射產(chǎn)生的回波信號(hào)與水體的回波信號(hào)的兩部分的疊加。

圖6 回波信號(hào)數(shù)據(jù)回放

一旦打算要孩子最好盡早受孕。在做出要孩子的決定后就不要再拖延下去了，否則身體的組織不斷地在老化，卵子的活力也越來越低，直接影響胚胎的質(zhì)量。

分別記錄的水體背景回波信號(hào)與不同距離處氣泡幕回波信號(hào)如圖6所示。

單個(gè)光子兩次碰撞散射過程如圖3所示。

此事鬧得沸沸揚(yáng)揚(yáng)，人盡皆知，成為那一年街頭巷口紛紛傳頌的大新聞。眾人議論紛紛，并對(duì)這件事的結(jié)局做了多種猜測(cè)，等待故事的進(jìn)一步發(fā)酵。

表1 回波信號(hào)均值與最大值（單位：V）

氣泡置于4m時(shí)，其遠(yuǎn)場(chǎng)回波信號(hào)均值與最大值都遠(yuǎn)大于水體本身的回波信號(hào)，是氣泡回波信號(hào)與大體積水體回波信號(hào)的疊加；而氣泡置于3m與3.6m處時(shí)，其遠(yuǎn)場(chǎng)回波信號(hào)均值與最大值較水體回波信號(hào)要小，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是氣泡幕遮擋住了部分激光束，使其無法到達(dá)較遠(yuǎn)的水體，故而水體本身產(chǎn)生的回波信號(hào)較沒有氣泡時(shí)急劇減少，兩者疊加后總體回波信號(hào)幅值變小。

綜上，本套系統(tǒng)在3m與4m處分別利用近場(chǎng)接收系統(tǒng)與遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)微小氣泡性能良好，回波信號(hào)較水體背景回波信號(hào)有大幅度增加。

根據(jù)我班合作小組組長(zhǎng)初選條例，全班學(xué)生每人投3票，選出他們認(rèn)為最適合擔(dān)任合作小組組長(zhǎng)的學(xué)生。在這次選拔中，小亮的票數(shù)位居第8，在初選范圍之內(nèi)。我把進(jìn)入初選的學(xué)生召集起來，告訴他們，給他們一天時(shí)間考慮，決定是否擔(dān)任合作小組組長(zhǎng)，一天后給我明確答復(fù)。在這段時(shí)間內(nèi)，他們可以和父母、同學(xué)、朋友溝通，自己做出最后的決定。

4 結(jié)語(yǔ)

通過仿真展示了在激光波長(zhǎng)為532nm時(shí)不同尺度的單個(gè)氣泡的光散射強(qiáng)度分布，證明了利用激光后向散射探測(cè)艦船尾流的可行性、有效性。嘗試搭建了水下微小氣泡脈沖激光探測(cè)系統(tǒng)，得到了不同距離處氣泡幕的回波信號(hào)變化規(guī)律。結(jié)果表明，本套探測(cè)系統(tǒng)可應(yīng)用于位于3m與4m處的水下微小氣泡探測(cè)進(jìn)而探測(cè)艦船尾流帶。