舰船气泡尾流的前向光散射特性及探测技术研究

论文摘要

为了提高舰船光尾流自导中对气泡尾流的感知能力,论文提出了一种新的前向光尾流探测技术。这种探测技术通过探测尾流气泡的前向散射光,反演光束在气泡尾流中的小角度近似光辐射传输模型,获得气泡尾流的气泡数密度这项特征参数从而实现对尾流的感知。针对前向光尾流探测的特点,在分析尾流气泡光散射特性的基础上建立了小角度近似光辐射传输模型。与传统的前向小角度近似辐射传输方程相比,论文中的模型做了两项改进:用修正的二阶高斯函数代替传统的一阶高斯函数拟合气泡群的散射相函数,对辐射传输中的约化强度进行了前向散射修正。最后采用研制的样机对模拟的尾流气泡进行了探测实验,验证了论文提出的探测方法的可行性。论文首先研究了尾流气泡的光散射特性,包括单个气泡散射特性、气泡群散射特性和光束在气泡尾流中的传输特性。对单个气泡散射特性的分析包括光学效率因子、偏振特性、强度分布特性、能量分布特性等;在此基础上,研究了气泡群散射光的强度分布特性和能量分布特性。为便于分析能量分布特性,引入了能量分布函数的概念和表达式。根据尾流气泡的大部分生命时间内覆盖着有机膜的实际情况,对气泡散射特性的分析又分为干净气泡、覆盖着不同成分有机膜和不同厚度有机膜的脏气泡几种情况。对气泡光散射特性的分析采用的方法为Mie理论。根据分析得到的气泡群散射光的强度和能量分布特性,改进了小角度辐射传输方程中已有的相函数高斯拟合方法,同时对约化强度进行了前向散射修正。基于改进的小角度辐射传输方程,研究了光束在尾流中传输的复散射效应,探讨了测量尾流光束衰减的复散射校正和气泡数密度与光束在尾流中衰减的关系,为设计探测尾流气泡数密度的样机提供了理论支持。在分析光束在尾流中传输特性的基础上,探讨了通过探测尾流气泡的前向散射光信号获取气泡数密度的方法。论文提出了一种适用于复散射条件下的基于辐射传输方程的反演法,即根据小角度辐射传输方程的解,通过数值计算得到一系列关于气泡数密度和光束能量透射比的点,然后采用曲线拟合法获得气泡数密度与光束能量透射比之间的函数关系式。实际探测尾流时,只要测量到了透射比,就可以由这个关系式得到实际的气泡数密度。为了验证论文提出的探测方法的有效性,需要已知尺度分布和数密度的尾流气泡作为基准。论文中采用电化学方法,用电解水产生的氢气泡来模拟尾流气泡。通过显微照相、图像处理和统计分析方法获得产生的氢气泡的尺度分布;通过控制电解电流按能量守恒的方法获得产生的氢气泡的数密度。最后,研制了一套实验样机,包括光学系统、电子系统、上位机软件和机械结构等。用这套样机对模拟的尾流气泡进行了探测实验,测量到的数密度与模拟尾流的数密度符合较好,从而验证了论文提出的探测技术的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文的研究意义
• 1.2 光学方法探测舰船气泡尾流的国内外研究状况
• 1.2.1 国外研究状况
• 1.2.2 国内研究状况
• 1.2.3 发展趋势
• 1.3 离散粒子光散射特性及其反演问题的研究方法
• 1.3.1 离散粒子光散射特性的研究方法
• 1.3.2 离散粒子特征参数的反演方法
• 1.4 本文的研究内容
• 第二章 舰船气泡尾流的光散射特性研究
• 2.1 水中单气泡的光散射特性
• 2.1.1 水中单气泡的Mie散射计算模型
• 2.1.2 水中单气泡的散射光特性分析
• 2.2 尾流气泡群的光散射特性
• 2.2.1 尾流气泡群的尺度分布模型
• 2.2.2 气泡群的Mie散射计算模型
• 2.2.3 气泡群的光散射特性分析
• 2.2.4 气泡群散射相函数的高斯拟合
• 2.3 舰船气泡尾流的光束传输特性
• 2.3.1 随机分布散射元中波的输运理论
• 2.3.2 光束在尾流气泡群中传输的复散射效应
• 2.3.3 对气泡尾流光束衰减测量的复散射校正
• 2.3.4 气泡数密度与光束在尾流中衰减的关系
• 2.4 本章小节
• 第三章 尾流气泡群数密度反演方法研究
• 3.1 Beer-Lambert定律的反演
• 3.1.1 Beer-Lambert定律的前向散射修正
• 3.1.2 Beer-Lambert定律的反演
• 3.2 透光波动法
• 3.2.1 光束中气泡数的统计分布规律
• 3.2.2 透光波动法的原理
• 3.3 辐射传输方程的反演
• 3.4 本章小节
• 第四章 尾流气泡群的模拟与检测
• 4.1 气泡群发生装置
• 4.2 气泡群的数密度控制
• 4.3 气泡群尺度分布的统计测量
• 4.3.1 显微照相装置
• 4.3.2 气泡群照片的图像处理
• 4.3.3 气泡群尺度分布的统计测量结果
• 4.4 本章小节
• 第五章 对模拟尾流气泡群的光探测实验
• 5.1 前向光尾流探测实验样机的设计
• 5.1.1 总体设计
• 5.1.2 光学系统设计
• 5.1.3 电子系统设计
• 5.1.4 上位机软件设计
• 5.1.5 机械结构设计
• 5.2 实验样机的标校
• 5.2.1 AD标校
• 5.2.2 光源稳定性测量
• 5.2.3 暗电流和背景的标校
• 5.3 模拟尾流气泡群的光探测实验
• 2时的实验结果'>5.3.1 通电电流密度为2.12mA/cm²时的实验结果
• 2时的实验结果'>5.3.2 通电电流密度为4.24mA/cm²时的实验结果
• 2时的实验结果'>5.3.3 通电电流密度为6.37mA/cm²时的实验结果
• 5.3.4 实验误差分析
• 5.3.5 实验结果分析
• 5.4 本章小节
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果