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原文传递尾流气泡前向散射光特性研究

论文题名：	尾流气泡前向散射光特性研究
关键词：	舰船;尾流气泡前向散射光;MonteCarlo模拟;气泡
摘要：	舰船等水中运动目标在航行过程中由于螺旋桨的搅动而产生的空化现象以及船体碎开波浪，在舰船的尾流内会形成大量的气泡。由于气泡气体的组分、密度和压缩率的差异，使得光波在尾流内的传输与在水体中有很大的差异，因而研究其光学特性可以用来实现对舰船的探测与识别。　　本文主要研究尾流气泡前向散射光场的空间分布及空间频谱特性。首先是基于Mie散射理论，计算单个气泡的散射系数及散射光强分布。采用向上递推法计算出Mie散射系数，通过Mie散射光强计算公式研究了单个气泡半径大小变化对散射光强分布的影响因素，计算了气泡半径为0.2μm-0.9μm的单气泡散射光强分布，以及半径为10μm-100μm之间气泡的散射光强分布。计算结果表明尾流气泡前向散射光随着气泡尺寸增大光强变强。通过计算气泡散射系数及消光系数，研究了相对折射率分别为实数和虚数时气泡的散射系数及消光系数相应的变化关系。研究表明气泡的消光系数与散射系数分布曲线变化趋势一致，散射系数幅值低于消光系数；当气泡相对折射率增大气泡散射系数分布曲线呈振荡变化，幅值增大。　　其次在单气泡Mie散射理论的基础上利用蒙特卡罗方法来建立激光在水下传输模型，追踪光束中每一个光子在尾流气泡群中传输过程并记录到达接收面的光子位置坐标及到达接收面的光子总数。通过改变传输距离、气泡数密度、气泡尺寸分析到达接收面光子分布。计算结果表明，随着传输距离增大、气泡数密度及气泡尺寸增大，接收面上光强减弱，光斑尺寸增大。同时气泡前向散射光空间频谱半高宽值随着传输距离、气泡数密度及气泡尺寸增大而减小。　　最后，设计实验对仿真结果进行验证，在实验室环境下建立了尾流气泡前向散射光探测系统，研究了不同泵压条件下尾流气泡前向散射光光强变化及光斑分布特性。随着压强增大即气泡数密度及气泡尺寸的增大，尾流气泡前向散射光光斑变大、光强减小、空间频谱半高宽值减小，与理论计算结果相一致。　　论文从理论分析出发通过仿真计算及实验验证主要讨论了尾流气泡的气泡数密度、气泡尺寸等条件变化对散射光光强及散射光空间频谱半高宽值的影响，对于尾流气泡光学特性进一步研究提供了一定的理论参考。
作者：	陈梦霞
专业：	光学工程
导师：	鲁振中;汪伟
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西安电子科技大学
学位年度：	2021