水下悬浮粒子对光的散射特性研究

论文摘要

21世纪是全世界大规模开发利用海洋资源、扩大海洋产业、发展海洋经济的新时期,水下光学探测技术是非常重要的开发海洋的一种手段。通过探测技术可以实现绘制水下的地形地貌、进行水下考古、海洋救生、水下作业监控、堤坝安全隐患检测、海底沉船及飞机残骸探测等各种目标。由于海洋环境的复杂性,海洋悬浮粒子对光的散射特性是海洋环境光学监测的重要理论基础,直接影响着激光在海水中的传输特性,因此研究海水对光的散射特性对水下光学探测技术具有非常重要的意义。本文对海水的光学特性进行了理论分析和实验研究,详细介绍了Mie散射理论,推导和计算出海水中悬浮粒子的散射特性和散射退偏特性并仿真,最后对悬浮粒子的衰减和后向散射情况进行了实验。Mie散射理论应用于海水中悬浮粒子散射特性的推导和计算是本文重点讨论的内容。先给出Mie散射的理论基础,然后推导了Mie散射的表达式,并给出初始条件、计算方法和结论。最后分别将Mie散射理论应用于水下不同大小的悬浮粒子进行散射特性的研究,并给出仿真结果。本文的研究方法和实验结果,为水下探测技术提供了一定的理论基础和实验指导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本文研究的目的与意义
• 1.2 水下光散射特性的研究现状
• 1.3 论文研究的主要内容
• 第2章 海水的光学特性及实验研究
• 2.1 海水的光谱特性及实验研究
• 2.2 折射率测量
• 2.3 海水的衰减特性
• 2.4 海水的体散射函数
• 2.5 海水中激光束的传输特性
• 2.6 本章小结
• 第3章 水下悬浮粒子对光的散射特性
• 3.1 Mie理论的理论基础
• 3.1.1 麦克斯韦方程组
• 3.1.2 相关矩阵与斯托克斯参数
• 3.1.3 振幅散射矩阵
• 3.2 Mie理论推导
• 3.3 小粒子散射
• 3.4 大粒子散射
• 3.5 本章小结
• 第4章 海水散射的退偏特性
• 4.1 粒子偏振特性的表征
• 4.2 水中典型粒子的偏振特性
• 4.3 自然光入射时的散射偏振特性
• 4.4 圆偏振光入射时的散射偏振特性
• 4.5 后向散射的偏振度
• 4.6 本章小结
• 第5章 浑浊水后向散射实验与结果分析
• 5.1 实验装置
• 5.1.1 光源
• 5.1.2 实验用水
• 5.1.3 水槽
• 5.1.4 CCD摄像器件
• 5.1.5 实验用目标靶
• 5.2 衰减系数测量
• 5.2.1 透射光体积衰减系数的测量
• 5.2.2 散射光体积衰减系数的测量
• 5.3 偏振特性实验
• 5.3.1 实验原理
• 5.3.2 实验过程及结果
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢