尾流氣泡幕的光散射特性研究

摘 要：【目的】對(duì)不同波長下激光的散射光特性進(jìn)行研究，旨在選擇一種能夠識(shí)別海上艦船尾部留下的尾跡，并對(duì)尾流進(jìn)行追蹤的激光器?！痉椒ā窟x擇自由電子激光器（FEL-YBY）作為光源，與傳統(tǒng)的選擇He-Ne激光器作為光源進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。通過空氣壓縮機(jī)來控制產(chǎn)生的尾流氣泡幕，通過改變氣壓來探究尾流氣泡幕的激光散射特性?！窘Y(jié)果】通過理論模擬不同波長下的散射光強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)隨著散射角的增加，散射光強(qiáng)在減小，波長短的散射光強(qiáng)要大于波長長的散射光強(qiáng)，且整體振蕩相似。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M尾流氣泡幕對(duì)不同波長的散射光強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)隨著壓強(qiáng)的增加，散射光強(qiáng)減小，氣泡幕的密度增加，同時(shí)散射光強(qiáng)的寬度隨著壓強(qiáng)增大而變寬，波長短的散射光強(qiáng)峰值寬度比波長長的峰值寬度窄。【結(jié)論】通過對(duì)尾流氣泡幕的光散射特性進(jìn)行研究，可以為艦船尾流的探測、識(shí)別及追蹤提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：Mie散射理論；尾流氣泡幕；氣泡幕密度

中圖分類號(hào)：TJ630.1；O433.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2024）18-0010-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.18.002

Study on Light Scattering Characteristics of Wake Bubble Film

JIAO Guijin1 ZHANG Jiansheng1 YAN Linbo1 WANG Chengying2

（1.School of Sciences， Xi'an Technological University，Xi'an 710021， China;

2. North Development Investment Co.， Ltd.，Xi'an 710200， China）

Abstract： [Purposes] This paper studies the characteristics of laser scattering light at different wavelengths to select a laser that can identify the wake left by the tail of the ship at sea and track the wake. [Methods] The simulation experiment was made to make a comparative analysis between the light source of the free electron laser （ FEL-YBY ） and the light source of the traditional He-Ne laser. The generated wake bubble curtain is controlled by an air compressor， and the laser scattering characteristics of the wake bubble curtain are explored by changing the air pressure. [Findings] The scattered light intensity at different wavelengths is simulated theoretically. With the increase of scattering angle， the scattered light intensity decreases. The scattered light with short wavelength is stronger than the scattered light with long wave， and the overall oscillation is similar. With the increase of pressure， the scattered light intensity decreases， the density of the bubble curtain increases， and the width of the scattered light intensity widens with the increase of pressure. The peak width of the scattered light intensity with short wavelength is narrower than that with large wavelength. [Conclusions] By studying the light scattering characteristics of the wake bubble curtain， this paper can provide some reference for the detection， identification and tracking of the ship wake.

Keywords：Mie scattering theory; wake bubble film; bubble film density

0 引言

船舶航行時(shí)，由于螺旋槳的空泡現(xiàn)象、船體水線部分卷入的大量空氣、艏部興波的破碎等因素，會(huì)在艉部形成一條含有大量氣泡的尾跡，常稱之為氣泡艉流場［1］。2009年冀邦杰等［2］發(fā)現(xiàn)在不同介質(zhì)中，激光傳播時(shí)波前會(huì)發(fā)生改變，并提出了一種利用激光穿過尾流場后波前變化檢測尾流場的方法。通過對(duì)比激光經(jīng)過靜水和實(shí)驗(yàn)室尾流模擬裝置后波前的變化，成功實(shí)現(xiàn)了尾流場的檢測。2013年張建生等［3］基于米氏散射理論，采用單氣泡散射理論模型，研究了激光在前向散射過程中的特性，以及沿著光軸周圍的照度分布狀態(tài)。2023年宗思光等［4］通過分析艦船尾流排布和氣泡目標(biāo)屬性，運(yùn)用蒙特卡洛仿真技術(shù)，成功模擬了不同尺度、密度和厚度的艦船尾流氣泡群的后向散射回波信號(hào)特性，揭示了水下航行器搭載激光探測系統(tǒng)在搜索和跟蹤階段信號(hào)變化趨勢，以及各種目標(biāo)艦船的激光后向回波信號(hào)強(qiáng)度變化，這有助于準(zhǔn)確模擬激光探測系統(tǒng)對(duì)艦船尾流目標(biāo)屬性的實(shí)際追蹤情況。2016年郭媛媛等［5］通過水池試驗(yàn)，探究了接受視場角度和探測距離對(duì)尾流氣泡幕后向散射光影響。結(jié)果表明，后向散射回波信號(hào)隨著探測距離的增大而減小，隨著視場接收角度的增加呈線性增加。

本研究基于光強(qiáng)光譜儀技術(shù)，探究尾流氣泡幕光散射特性研究，通過研究對(duì)比不同激光波長對(duì)尾流氣泡的影響，為尾流的探測、識(shí)別、追蹤提供一定的依據(jù)。

1 理論基礎(chǔ)

米氏理論，也被稱為米氏散射理論，是研究顆粒光散射的重要原理。為了解光如何與不同大小和組成的球形粒子互動(dòng)，提供了一個(gè)數(shù)學(xué)框架。通過應(yīng)用米氏散射理論，研究人員能夠精確地預(yù)測和分析光通過云、氣溶膠和生物細(xì)胞等顆粒的散射模式。依據(jù)米氏散射理論，當(dāng)激光照射到氣泡時(shí)，以坐標(biāo)原點(diǎn)為氣泡的中心，圖中的散射光強(qiáng)q點(diǎn)到球形o點(diǎn)的距離為r，θ為散射光與x軸的夾角，稱為散射角，單個(gè)氣泡散射如圖1所示。

通過米氏散射理論，可以得到q點(diǎn)的散射光強(qiáng)為式（1）。

[Is=λ24πr2I0S1（θ）+S2（θ）] （1）

式中：[θ]為散射角；[I0]為入射光強(qiáng)；[λ]為入射波長；[Is]為散射光強(qiáng)。

因此，[S1（θ）]和[S2（θ）]可以表示為式（2）、式（3）。

[S1（θ）=n=1∞2n+nn（n+1）（anπn+bnτn）] （2）

[S2（θ）=n=1∞2n+nn（n+1）（anτn+bnπn）] （3）

式中：[S1]、[S2]為幅值函數(shù)；[πn]、[τn]為勒讓德函數(shù)。

其中，[an]和[bn]可表示為式（4）、式（5）。

[an=φn（α）φ′n（mα）-mφ′n（α）φn（mα）εn（α）φ′n（mα）-mε′n（α）φn（mα）] （4）

[bn=mφn（α）φ′n（mα）-φ′n（α）φn（mα）mεn（α）φ′n（mα）-ε′n（α）φn（mα）] （5）

式中：[an]、[bn]為Mie散射系數(shù)；m、[α]分別是折射率和粒子直徑。

不同波長的散射光強(qiáng)理論模擬。圖2和圖3分別為波長455 nm和632.8 nm的理論模擬散射光強(qiáng)變化?？v坐標(biāo)散射光強(qiáng)取對(duì)數(shù)，水的相對(duì)折射率為0.75。從圖中可以看出，隨著波長的增加，散射光強(qiáng)在減少。激光波長為455 nm時(shí)的散射光強(qiáng)在0°附近振蕩，且散射光強(qiáng)振蕩最高接近9左右，而在180°附近振蕩的散射光強(qiáng)最高接近于2左右。激光波長為632.8 nm時(shí)的散射光強(qiáng)在0°附近振蕩，且散射光強(qiáng)振蕩最高接近7左右，而在180°附近振蕩的散射光強(qiáng)最高接近于1左右。散射光強(qiáng)在0°到30°范圍內(nèi)振蕩劇烈快速衰減，60°到120°范圍內(nèi)振蕩會(huì)隨著散射角的增大而降低，在180°時(shí)振蕩開始上升。在0°附近振蕩性隨著散射角的減小而增大，在180°附近振蕩性隨著散射角的增大而增大。圖2中的散射光強(qiáng)整體的振蕩優(yōu)于圖3散射光強(qiáng)振蕩，一般小于90°的稱為前向散射，大于90°稱為后向散射，一般散射光強(qiáng)在0°和180°附近振蕩明顯。

2 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)通過光纖光譜儀進(jìn)行測量，光源選擇FEL-YBY激光器藍(lán)光和He-Ne激光器紅光，波長分別為455 nm和632.8 nm。實(shí)驗(yàn)由兩部分構(gòu)成，一部分是由水池、微孔陶瓷光、空氣壓縮機(jī)等組成；另一部分，由光纖光譜儀、光纖探頭、計(jì)算機(jī)等組成。數(shù)據(jù)采集通過Oceanview軟件獲得。光源和氣泡幕以及光纖探測器在同一高度，室內(nèi)環(huán)境在黑暗的環(huán)境條件下測量尾流氣泡幕，以減少外界光源造成的影響。在實(shí)驗(yàn)室，用光纖光譜儀測量尾流氣泡幕的光散射特性，研究在不同壓強(qiáng)下的散射光強(qiáng)隨著波長的變化，由于水這種介質(zhì)會(huì)對(duì)光進(jìn)行吸收、散射、衰減等，因此，在測量過程中不僅要考慮氣泡的光學(xué)特性，還要考慮到水本身的光學(xué)特性。測量尾流氣泡幕的實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)室模擬尾流氣泡光散射特性，取壓強(qiáng)為1 MPa、1.5 MPa、2 MPa、2.5 MPa、3 MPa。圖5和圖6分別為波長455 nm和632.8 nm的測量尾流氣泡幕的光散射特性試驗(yàn)。

從圖中可以看到，隨著壓強(qiáng)的增加，散射光強(qiáng)減小，且壓強(qiáng)增加，尾流氣泡幕的數(shù)密度增加，氣泡的尺寸增加。隨著波長的增加，散射光強(qiáng)在不斷地增大，且變化相似。隨著壓強(qiáng)的增加，峰值的寬度不斷地變寬，探測器接收的信號(hào)逐漸變?nèi)?，波長短的藍(lán)光的散射光強(qiáng)整體要高于波長長的紅光的散射光強(qiáng)，藍(lán)光的整體峰值寬度要比紅光的峰值寬度窄，探測器接收到的藍(lán)光的信號(hào)較強(qiáng)。FEL-YBY激光與He-Ne激光測量前向散射峰值散射光強(qiáng)在不同壓強(qiáng)的變化，藍(lán)光的整體的散射光強(qiáng)高于紅色散射光強(qiáng)。而且藍(lán)光對(duì)尾流氣泡幕的散射光強(qiáng)是紅光的幾倍多，從散射光強(qiáng)的峰值變化來看，尾流氣泡幕對(duì)藍(lán)光的傳輸影響要強(qiáng)于紅光，散射作用也強(qiáng)于紅光。并且從圖中可以看出整體的散射光強(qiáng)變化相似，隨著壓強(qiáng)增大，散射光強(qiáng)在減小。

4 結(jié)論

本研究通過理論模擬了不同波長下的散射光強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)波長短的散射光強(qiáng)的振蕩強(qiáng)于波長長的散射光強(qiáng)，且臨界角也不同。靠近臨界角的散射光強(qiáng)減小，遠(yuǎn)離臨界角的散射光強(qiáng)增加，特別是在0°附近的振蕩較強(qiáng)。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M了尾流氣泡幕對(duì)不同波長激光的散射光強(qiáng)變化，發(fā)現(xiàn)隨著壓強(qiáng)的增加，尾流氣泡幕的散射光強(qiáng)在減少；隨著氣壓改變，峰值寬度在不斷地減小。波長短的散射光強(qiáng)寬度小于波長長的散射光強(qiáng)寬度，波長短的散射光強(qiáng)大于波長長的散射光強(qiáng)。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)尾流氣泡幕對(duì)激光波長短的敏感度強(qiáng)于波長長的敏感度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果相符合。綜上所述，通過探究尾流氣泡幕的光散射特性，由FEL -YBY激光器作為光源，可對(duì)艦船尾流的探測、識(shí)別、追蹤提供一定的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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