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水中航行器尾流特征及其光学特性研究
| 论文题名： | 水中航行器尾流特征及其光学特性研究 |
| 关键词： | 水中航行器;尾流特征;光学特性;计算流体力学 |
| 摘要： | 航行器在水中航行时，由于螺旋桨的空化作用和船体碎开波浪作用，船体后方会产生尾流，尾流场的物理特性与周围海域具有非常明显的差异，且难以消除和伪造，因此通过对尾流的探测可以获得船只的航行信息。在诸多探测手段中，光学尾流探测方法受到广泛关注，本文对水中航行器尾流的出现区域、光偏振特性和时域特性进行模拟，为光尾流探测提供理论参考。 首先，对SUBOFF型水下航行器在不同航速下航行时船身周围流场湍流强度和涡量的扩散情况进行计算。结果表明:随着航速的增加，迎流区所受到的压强增大，表面压强分层更加明显。随着尾流延伸距离的增加，湍流逐渐向周围水域扩散，强度降低，航速越高的情况下，湍流在水域中存在距离越长。针对水上运动的航行器，计算了不同航速下水面兴波及船后空气含量的变化情况，为后续计算确定了气泡具体存在范围。计算结果表明:随着航行时间的增加，船体后方逐渐出现V字形的小角度兴波，并逐渐向后方延伸。与此同时，船尾部两翼气体体积分数增加，并随时间的增大逐步向后方水域以小角度扩散。 其次，以Mie散射理论为基础，使用向上递推法计算了不同大小的单气泡光学效率因子、散射光强分布和偏振度分布。结果表明:单个气泡的散射光强随着气泡半径的增大而增大，且振荡频率也逐渐升高。当气泡半径一定时，散射光的偏振度震荡幅度随着散射角的增大呈上升趋势，且前向散射对偏振度的减小作用强于后向。在此基础上，采用线性叠加方式计算气泡幕散射光强度及偏振度分布特性。计算结果表明:光强度变化曲线较为平缓，但总体趋势与单气泡类似。 最后，本文使用蒙特卡罗法建立激光在水中的传输模型，利用单气泡散射模型结合Mie散射理论，计算出光垂直入射的气泡幕散射穆勒矩阵参数随散射角的变化曲线。仿真了偏振光在均匀分布及混合分布的气泡系统中传输过程，讨论了传输距离，入射光偏振态，传输距离及气泡尺寸混合比对偏振度的影响。结果表明:随着气泡域中小半径气泡含量的升高，偏振度降低速度变慢，且圆偏振光的保偏能力强于线偏光。在航行过程中气体含量较高的区域内，计算气泡对激光脉冲后向散射时域特性的影响，仿真结果表明:气泡数密度和半径的增大会导致脉冲展宽，且当气泡域与探测器距离增大时，气泡域回波信号也会随之减弱。 |
| 作者： | 郭蓉 |
| 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： | 2022 |
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