尾流轮廓的激光探测原理研究

【摘要】： 基于尾流光学特性对鱼群和舰船等水下目标的探测和跟踪技术摆脱了常规的声场而以光波作为信息载体,使常规的声学干扰和对抗手段失去作用,具有探测距离远、命中精度高以及不受电磁和环境噪声干扰等优点。本文将532nm激光作为传递信息的载体,着重研究了激光探测尾流轮廓的可行性。特别对吸收性海水中干净气泡的光散射特性的计算、尾流轮廓的激光探测装置设计以及尾流轮廓的激光探测原理等方面进行了研究。本论文在理论、实验方面研究如下: 理论研究方面,应用Mie理论研究了吸收海水中干净气泡的单散射特性和气泡群的相位函数。从理论上预测了可能存在的有效探测尾流气泡的方法,为验证尾流轮廓的激光探测原理的可行性提供了理论依据。 实验研究方面,设计了尾流轮廓的激光探测装置。利用收发合置的光学结构成功地探测到散射角为180°的尾流后向散射,在此基础上,利用自行设计的角扫描系统实现对尾流区域的二维扫描,中心带有5mm孔径的45°全反射镜和扫描系统构成了收发合置的光学结构;自行设计了两种螺旋桨及其驱动系统,在实验室内生成模拟的舰船尾流。此外,编制了采集卡应用程序和信号处理程序。 实验研究了尾流轮廓的激光探测原理。首先,对尾流轮廓的激光探测装置进行了调试,寻找能探测到尾流轮廓的小孔光阑在光路中的最佳位置。其次,利用该装置研究了两种不同尺寸螺旋桨在两种转速下生成的尾流,其中主要对尾流轮廓、尾流内气泡散射强度以及尾流内气泡数量随速度和尺寸的分布规律进行了研究,并讨论了螺旋桨尺寸和转速对尾流这些性质的影响。同时还给出了界定尾流区和非尾流区的方法,实现了尾流轮廓的激光探测。最后,验证了利用该装置探测尾流轮廓的可重复性。