船舶尾流氣泡幕探測技術進展與應用

郭露萍，翟雨生，王琦龍，齊志央

（東南大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210096）

研究綜述

船舶尾流氣泡幕探測技術進展與應用

郭露萍，翟雨生，王琦龍，齊志央

（東南大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210096）

本文介紹并比較船舶尾流氣泡幕的聲學探測和光學探測的異同。以檢測參量為主線，討論光學探測中氣泡對散射光強度、頻率和偏振特性的影響，重點闡述基于脈沖回波、激光拉曼散射和光學成像等探測方式的應用原理、發展狀況和存在的問題。以提高回波信號信噪比為目的，提出一種基于表面等離子激元的氣泡尾流探測新思路，并進行相關模擬論證。氣泡尾流光學探測法及其應用系統具有實時性好、靈敏度高、探測區域廣等優點，在船舶監控、海洋水體污染檢測和海洋生物環境監測等方面應用廣泛。

尾流探測；氣泡；光學散射

0 引 言

水下航行器在航行過程中由于螺旋槳的空化，海面波浪的破碎以及吃水線附近空氣的卷入會形成含有大量氣泡尤其是微氣泡的尾流場，尾流場的幾何尺寸要比航行體本身大 2 倍以上（見圖 1）［1］。尾流中的氣泡在形成后的較短時間內，經由大氣泡的上升、破裂，小氣泡的融合，尺度為 10 ～ 300 μm 的氣泡含量最多，當氣泡運動進入遠程尾流發展區時，尾流中剩下的氣泡半徑大都為 10 ～ 50 μm 的微小氣泡，且氣泡之間的平均距離要遠大于氣泡的半徑［1］，由此可見氣泡尾流具有不可避免、存活時間長、難以模仿等特點。由于氣泡的密度、壓縮率等參數與海水的明顯不同以及尾流中湍流的影響，使得尾流中的氣泡分布不均勻，這就導致了聲波、光波等在尾流中的傳輸特性與在海水中的傳輸存在著明顯的差異，為水下航行器的探測和搜索提供了依據。鑒于氣泡尾流探測的重大軍事意義，自二戰起，國外就開始氣泡尾流檢測相關方面的理論和實驗研究，并取得了一系列研究成果。本文從氣泡尾流的聲學特性和光學特性出發，綜述氣泡尾流的不同探測方法，并分析其蘊含的應用價值與廣闊前景。

1 氣泡尾流的聲學探測

氣泡尾流聲學探測方法的基本原理是氣泡的聲散射和聲吸收效應。聲波在水中的衰減較小，可傳播距離遠，基于這些優勢氣泡尾流聲學探測發展較早，可追溯到二戰時期，技術也相對成熟，其中氣泡尾流聲自導技術早已廣泛應用于魚雷制導中。尾流聲自導分為主動和被動 2 種工作方式，其中主動式尾流聲自導是由自導發射機發射高頻聲脈沖經尾流不同水層中氣泡的散射，使散射信號強度發生明顯變化，信號接收機接收散射信號后經信號分析識別尾流，這種方法的探測距離遠，發現目標能力強，但同時也容易暴露自己。被動式尾流聲自導是利用尾流區海水與正常海水聲阻抗的顯著差別通過檢測海水聲阻抗值的變化來確認尾流存在與否，此方法精度不如主動聲吶，但能在隱蔽自己的情況下發現目標。

圖 1 艦船尾流示意圖Fig. 1 The Schematic of ship wake

聲吶在水下的探測距離雖然遠，但是受外界條件的影響很大，比較直接的因素有多路徑效應、混響干擾、海洋噪聲、自噪聲、目標反射特征或輻射噪聲強度等，它們大多與海洋環境因素有關［2］。如聲波在傳播途中受海水介質不均勻分布和海面、海底的影響和制約，會產生折射、散射、反射和干涉，會產生聲線彎曲、信號起伏和畸變，造成傳播途徑的改變，以及出現聲陰區，嚴重影響聲吶的作用距離和測量精度。因此研究者們急切的想摸索出其他更有效的尾流探測方式。

2 氣泡尾流的光學探測

光波的波長短，傳播速度快，對氣泡的敏感度強于聲波，方向性好，抗干擾能力強。隨著激光技術的發展，20 世紀末就開始了尾流光學探測方面的研究。氣泡尾流的光學探測原理與聲學相似，只是探測的信號源是光波。尾流光學探測所用的光源一般是在水中衰減較小的藍綠激光。依據光源和探測器位置的不同，尾流光學探測的模式可以分為前向探測和后向探測，其中前向散射強度要大于后向散射，然而前向探測方式的光源和探測器是分離的，而后向探測的光源和探測器位于同一探測平臺，根據實際應用的需求，后向探測方式一直是研究的重點，具體的探測系統結構如圖 2 所示。

圖 2 光學探測系統結構示意圖Fig. 2 The schematic diagram of optical detection system

與聲相比，散射光的物理特性具有多樣性，因此，根據具體檢測參量的不一樣，尾流光學探測又分為以下幾種方法：

1）散射光強度探測

光強度探測與傳統聲學探測本質上的區別就在于探測信號改變為光信號，而光與氣泡的相互作用，可由Mie散射理論進行分析。強度探測是在聲學探測的基礎上發展起來的，文獻［3］對散射光強度探測的相關研究做了詳細的總結。受水體自身散射干擾以及后向散射光信噪比低等問題的影響，強度探測很難區分氣泡尾流與渾濁水體，且探測距離較短。

2）散射光頻率探測

根據激光多普勒效應，運動氣泡與激光相互作用會造成散射光的頻移，頻移的大小與氣泡的運動速率成正比，尾流氣泡的運動速率要遠小于光速，相應的多普勒頻移也要比光頻小很多，相差約 7 ～ 8 個數量級［4］，可用光學外差法來提高檢測分辨率，實驗中常使用的光路有參考型和差動型，差動型因其不受視場限制，收集散射光信號的能力遠大于前者而得到廣泛應用。王赟和劉繼芳等［5］利用差動型激光多普勒探測方法，對氣泡數密度和速率分布與后向散射光信號幅度和截止頻率之間的關系進行研究，發現隨著氣泡數密度和速率分布范圍的增大，后向散射光信號的多普勒頻移譜的幅度、截止頻移也隨之增大。朱東華和張曉暉［6］用雙光路差動型艦船尾流探測模型對魚雷與尾流的相對速度引起的差頻大小進行模擬，模擬結果表明安放在運動平臺上的探測器，多普勒頻移量將會更明顯，為激光多普勒效應應用于氣泡尾流光自導技術提供了理論依據。和強度探測相比，頻率探測具有更強的抗干擾能力，探測距離更遠，精度更高。

3）散射光偏振特性探測

微小氣泡與固體微粒對入射光散射后偏振狀態的影響在粒徑域和散射角度上具有選擇性，且氣泡的退偏振效應要比固體粒子強，偏振特性探測就是基于尾流氣泡群對偏振激光的退偏振效應來實現的，可有效區分氣泡與其他粒子，提高了氣泡的探測精度。Mie散射理論仍然是光尾流偏振特性研究的基礎。王燕等［7］對不同粒徑大小的單個尾流氣泡的退偏效應進行研究，考慮到光束在氣泡尾流中傳輸時會發生復散射現象，秦剛和楊郁等［8］用蒙特卡洛模型對不同偏振態入射光經過氣泡尾流時的偏振特性進行了模擬分析，結果表明氣泡群的存在會加快入射光的退偏。同時，為透徹解析氣泡尾流對入射激光的偏振特性影響，還對氣泡粒徑大小、氣泡尾流散射系數和氣泡幕厚度等因素對散射光偏振特性的影響進行了研究。王江安和王善勇等［9］研究了氣泡尾流的多重散射對偏振特性的影響。偏振特性探測目前能確定的只是偏振度的變化，還很難確定尾流的位置信息，它們之間的具體換算關系還需進一步深入研究。

4）脈沖回波探測

脈沖回波探測是在雷達探測的基礎上引伸而來的，它是水下尾流激光雷達的核心技術。易媛媛等［10］利用自行設計的實驗系統研究了激光功率、氣泡位置、視場和氣泡區厚度等因素對后向散射信號的影響，且對模擬尾流的激光脈沖后向散射信號進行了實驗測量。韓彪等［11-12］分析了激光脈沖寬度對氣泡尾流散射回波信號的影響，并對模擬氣泡尾流回波信號的前沿位置、后沿位置、時域寬度、能量、峰值大小和位置等參數進行了統計分析，在此基礎上提出了基于激光脈沖后向散射信號特征變化的艦船尾流氣泡后向檢測方法。鄭毅等［13］對脈沖能量與水下激光雷達性能的關系進行了研究。經過對水下激光雷達技術的不斷深入研究，王江安等［15］成功設計出了用于尾流檢測的激光雷達樣機。文獻［11， 13］表明激光脈沖寬度和脈沖能量的有效設置能提高氣泡尾流的探測精度，圖 3 為脈沖能量與脈沖寬度大小對回波信號的影響。

由此可見脈沖寬度越窄，越有利于將回波信號從后向散射信號中提取出來，且在一定范圍內，脈沖能量越高，越有助于對氣泡尾流的探測，但脈沖能量不能大于一定閾值，否則會由于水體后向散射光的影響，導致目標有效回波信號的波動［13］。因此在水下激光雷達設計中可以考慮使用具有一定能量的超短激光脈沖（如飛秒激光）光源對氣泡尾流進行探測，可有效提高探測精度。

5）激光拉曼散射探測

圖 3 第 1 個波峰是水體散射信號，第 2 個波峰是氣泡尾流散射信Fig. 3 The first wave was because of water scattering，the second wave was the echo signal of bubbles wake.

激光通過被探測水域，發生的散射信號中除了有瑞利散射和米散射等彈性散射外還有拉曼散射信號，由于拉曼散射信號強度要比彈性散射小 4 ～ 5 個數量級，信號太弱以至于大部分的研究都把這部分散射信號忽略不計。Bunkin AF 和 Klinkov VK 等［15］經過對尾流區的拉曼散射信號進行分析后發現可以利用水體的拉曼散射信號來實現氣泡尾流探測，文獻［15］指出海洋中水分子的拉曼散射信號在很遠的距離也很容易被探測到，而拉曼散射信號與傳播媒介的分子數成正比，即任何破壞水的連續性的物質（氣泡、懸浮顆粒、泡沫）都會減少激光路徑上的水分子數，且根據拉曼散射的物理規律，拉曼散射對小氣泡的靈敏度明顯要高于MIE 散射。利用拉曼激光雷達和彈性散射激光雷達同時對艦船產生的尾流進行測量，發現氣泡尾流的存在會使水的拉曼散射回波信號減弱，且拉曼散射呈現了更長更緩慢的時間演變規律，對小氣泡的靈敏度要高于彈性散射。因此有望利用拉曼散射實現氣泡尾流的遠距離、高精度、長時間探測。尾流的拉曼散射與彈性散射回波信號隨時間的演變關系如圖 4 所示。

圖 4 尾流的拉曼散射與彈性散射回波信號隨時間的演變關系，箭頭指向為氣泡尾流產生的瞬間時刻，圖中的彈性散射信號經 10–n因子衰減處理［15］。Fig. 4 The evolution of raman scattered and elastic scattering ofbubbles echo signal with time，arrow pointing to the moment of bubbles generate，the elastic scattering signal in the graph was attenuated by a factor of 10–nby filter［15］.

拉曼散射信號還攜帶了水體所含物質分子結構方面的更多具體信息，不同物質的拉曼散射光信號與入射光存在一個特定的頻移量，利用這一點可對海洋上層水域進行遠場遙感探測，這是一種新穎有效的氣泡尾流探測方法，具有廣闊發展前景。

6）光學成像探測

光學成像法主要是用照相與圖像處理相結合的方法，對不同尾流條件下獲取的圖像進行特征提取，并根據這些特征的變化進行尾流檢測的光學方法。它分為光學攝影和全息成像。

光學攝影法是直接利用攝像設備拍攝尾流圖像，結合數字圖像處理技術實時提取尾流圖像的統計特征參數。此方法能真實再現水底情況，直觀精確，且能通過圖象處理和信號處理手段來剔除藻類顆粒等其他非氣泡浮游物質的干擾。劉西站等［16］設計的水下氣泡尾流成像系統可實現對大動態范圍（10 ～ 500 μm）粒徑小氣泡的成像。水下攝影技術雖能成功捕捉到氣泡尾流圖象，但是探測得到的是二維圖形，只能由拍攝物質的形狀和大小來區別氣泡與其他物質，很難區分球形粒子與氣泡。

全息成像是利用干涉和衍射原理記錄并再現物體真實的三維圖像記錄和再現技術，鑒于全息術的三維成像，可得到透明氣泡或其他微粒的三維圖像，從而有利于氣泡和其他微粒的識別和統計。袁軍行和陳良益［17］設計的光學尾流全息成像系統可準確得到尾流場不同層次的氣泡信息，經算法分析可得到氣泡粒徑大小和氣泡的速度信息。韓正英和于佳等［18］還將數字全息技術應用于氣泡尾流探測研究中，經實驗得到整個三維場的立體分布圖和不同截面的二維分布圖。不過全息成像法的成像質量受限于實驗記錄系統的發展。

7）氣泡尾流探測新思路

氣泡尾流探測研究的關鍵是實現遠場尾流即低密度微小氣泡的探測。光學尾流探測研究近年雖說發展較快，但受光波的衰減及水體散射影響，其探測距離一直有很大限制。近些年來，有關局域表面等離子激元的研究取得了快速的發展并且廣泛應用于生物檢測，表面拉曼散射增強，光電探測器件等領域。局域表面等離激元共振會引起局域場增強效應，提高金屬納米結構的散射截面，并且表面等離激元的共振特性對所處介質環境折射率的變化特別敏感［19］，微弱的局部環境折射率變化都會引起金屬納米結構共振吸收峰和散射光強度的變化，這為氣泡尾流探測提供了新思路，即利用金屬納米結構的共振波長敏感性和散射截面增強特性，提高尾流氣泡的散射光強度。前期分別在有金納米顆粒和無金納米顆粒的水溶液中對單個微米尺度氣泡的后向散射光信號進行了數值模擬，結果如圖 5 所示。

由圖 5（a）和圖 5（b）比較可看出，在無金納米顆粒的水溶液中，單個微氣泡對光的后向散射光信號很微弱，在 10-2左右數量級（入射光強度設定為 1），而在有金納米顆粒的水溶液中，光的后向散射強度總體上都增強了 10 倍以上，這也許不能直接說明散射光的增強是由于金屬納米顆粒對氣泡的散射特性增強所致，但對比圖 5（a）和5（b）可以肯定的是，加了金納米顆粒的水溶液中氣泡對散射結果的影響要比沒加金納米顆粒的更大，即含有金納米顆粒的水溶液對氣泡引起的介質環境變化更敏感。由圖 5（c）可看出在有金納米顆粒的水溶液中，氣泡引起的后向光散射強度顯著增強，且對光波長是有明顯的選擇性，在 650 nm左右的波段區域，氣泡對光的散射影響最大，這除了與納米顆粒的材料有關，還和納米顆粒的尺寸、形狀和分布等因素密切相關，需要后期進行更為系統的深入研究。不久的將來有望將表面等離激元應用到氣泡尾流探測當中，即在被測水域中加入某些在光波照射下對氣泡非常敏感的物質，作為探針對氣泡進行探測，這可從源頭上提高回波信號的強度，進而提高信噪比和探測效率。目前常見的表面等離激元多是發生于貴金屬（合金）納米顆粒（如：金、銀）表面，但隨著科學技術的發展，有可能會發現一些普通的低成本替代物質，這將有利于它的廣泛應用。

3 氣泡尾流探測研究的應用價值

圖 5 不同水溶液中有無氣泡的后向光散射模擬情況Fig. 5 The simulation results of light backscatter propety in different conditions

氣泡尾流探測研究不斷被重視的主要原因在于其巨大的應用價值，最初只是在軍事需求的推動下展開，如今已逐漸向民用領域延伸。

1）軍事領域

軍事上目前主要是利用氣泡尾流特性實施對水面艦船探測、跟蹤和追擊。其中基于尾流聲學效應的聲吶探測技術已應用于各種魚雷制導系統中，并對水面船舶航行安全構成了致命威脅。近年來正大力發展的基于氣泡尾流場光學特性的魚雷引導技術，將使魚雷具有更強大的作戰能力。氣泡尾流探測研究的軍事應用價值不僅僅在于對水面艦船的追蹤攻擊，更大的應用是對水下潛艇的定位探測。

2）民用領域

由于氣泡尾流的幾何外形特征與船型、航速等因素密切相關，且氣泡尾流場的空間尺寸遠大于目標艦船本身，故可利用遙感獲得的氣泡尾流信息，實現對目標的初步判斷和識別，所以利用星載或機載光學遙感設備探測尾流，對大范圍海域進行監控，可以及時發現非法進入領海的船舶，為海監執法提供可靠的信息保障，大大提高海監巡航的針對性和有效性，從而更好地維護國家的海洋權益［20］。由于氣泡尾流的光學遙感特性與水中所含的物質成分密切相關，而拉曼激光雷達可直接反映水中物質的類型和含量，這可從一定程度上表征水體的受污染程度。因此，也可利用氣泡尾流場的光學遙感特性初步判斷大范圍海域的水質變化情況，為海洋環境監測和保護提供信息。

4 結 語

綜上所述，氣泡尾流探測由于其重大的民用和軍事應用價值，受到高度重視。氣泡尾流探測的核心內容是盡可能地提高后向散射信號的信噪比，氣泡尾流聲學探測方法已經相對成熟，但存在一些無法克服的缺陷，光學探測方法的研究就是為了彌補聲學方法的不足。經過不斷努力，光學探測取得了許多重要的研究成果，其中脈沖回波和拉曼散射因其高度可辨識性，可作為激光雷達的核心技術，有望實現氣泡尾流的高精度遠距離探測。為了提高實際的探測精度，目前最好的舉措還是將多種探測方法同時使用。氣泡遠場尾流探測的根本性難題是回波信號太微弱，現有的方法都是從減噪角度進行研究，如果應用表面等離激元及其他相關理論技術可以實現信號本身的增強，尾流探測將會有一個質的突破，這是不懈努力的目標。

[1]馬青山， 陳亞林， 郝保安， 等. 艦船遠尾流場氣泡特性研究［J］.魚雷技術， 2014， 22（4）: 311–315. MA Qing-shan， CHEN Ya-lin， HAO Bao-an， et al. Study on bubble characteristics of ship far wake field［J］. Torpedo Technology， 2014， 22（4）: 311–315.

[2]龍建標. 水下航行器探測聲納系統［D］. 西安: 西北工業大學，2002. LONG Jian-biao. Sonar detection system for underwater vehicle［D］. Xi'an: Northwest Industry University， 2002.

[3]王赟， 劉繼芳， 魯振中， 等. 國內尾流光學檢測研究進展［J］.激光與光電子學進展， 2014， 51（12）: 120004. WANG Yun， LIU Ji-fang， LU Zhen-zhong， et al. Domestic research progress in optical detection of wake［J］. Laser & Optoelectronics Progress， 2014， 51（12）: 120004.

[4]朱東華， 張曉暉. 基于激光多普勒效應的艦船尾流探測研究［J］. 激光技術， 2006， 30（3）: 298–300.ZHU Dong-hua， ZHANG Xiao-hui. Ship wake detection based on laser Doppler effect［J］. Laser Technology， 2006， 30（3）: 298–300.

[5]王赟， 劉繼芳， 魯振中， 等. 尾流氣泡群的激光多普勒檢測方法［J］. 中國激光， 2014， 41（8）: 081002. WANG Yun， LIU Ji-fang， LU Zhen-zhong， et al. Laser Doppler method for the detection of wake bubbles［J］. Chinese Journal of Lasers， 2014， 41（8）: 081002.

[6]朱東華， 張曉暉. 水中微氣泡光散射偏振特性的研究［J］. 海軍工程大學學報， 2005， 17（5）: 26–29， 42. ZHU Dong-hua， ZHANG Xiao-hui. Study on polarization of light scattered from microbubbles in water［J］. Journal of Naval University of Engineering， 2005， 17（5）: 26–29， 42.

[7]陳航， 田晶， 戚茜. 一種基于退偏效應的激光尾流信號檢測方法［J］. 光電子·激光， 2013， 24（8）: 1563–1568. CHEN Hang， TIAN Jing， QI Qian. A detection method on laser ship wake guidance signal based on de polarization［J］. Journal of Optoelectronics·Laser， 2013， 24（8）: 1563–1568.

[8]秦剛， 楊郁， 張建生. 船艦遠程尾流散射光偏振特性的蒙特卡洛模擬［J］. 紅外與激光工程， 2013， 42（7）: 1730–1736. QIN Gang， YANG Yu， ZHANG Jian-sheng. Monto Carlo simulation of polarization properties of scattered light from far ship wakes［J］. Infrared and Laser Engineering， 2013， 42（7）: 1730–1736.

[9]梁善勇， 王江安， 宗思光， 等. 基于多重散射強度和偏振特征的艦船尾流氣泡激光探測方法［J］. 物理學報， 2013， 62（6）: 060704. LIANG Shan-yong， WANG Jiang-an， ZONG Si-guang， et al. Laser detection method of ship wake bubbles based on multiple scattering intensity and polarization characteristics［J］. Acta Physica Sinica， 2013， 62（6）: 060704.

［10］易媛媛， 楊克成， 張曉暉， 等. 激光在水中氣泡微粒的后向散射特性［J］. 光學與光電技術， 2006， 4（6）: 38–41. YI Yuan-yuan， YANG Ke-cheng， ZHANG Xiao-hui， et al. Laser backscattering characteristics of bubbles in water［J］. Optics & Optoelectronic Technology， 2006， 4（6）: 38–41.

［11］韓彪， 劉繼芳， 周少杰， 等. 激光脈沖寬度對遠距離尾流氣泡后向檢測的影響［J］. 光子學報， 2011， 40（9）: 1372–1375. HAN Biao， LIU Ji-fang， ZHOU Shao-jie， et al. Influence of laser pulse width on backward detection of long-distance wake bubbles［J］. Acta Photonica Sinica， 2011， 40（9）: 1372–1375.

［12］韓彪， 劉繼芳， 劉昆侖， 等. 艦船尾流氣泡后向光學檢測方法研究［J］. 光學學報， 2012， 32（1）: 0101001. HAN Biao， LIU Ji-fang， LIU Kun-lun， et al. Study of backward optical detection method for ship wake bubbles［J］. Acta Photonica Sinica， 2012， 32（1）: 0101001.

［13］鄭毅， 楊克成， 夏珉， 等. 脈沖能量對水下激光雷達性能的影響［J］. 光學與光電技術， 2009， 7（1）: 33–35. ZHENG Yi， YANG Ke-cheng， XIA Min， et al. Effects of pulse energy on underwater Lidar system［J］. Optics & Optoelectronic Technology， 2009， 7（1）: 33–35.

［14］梁善勇， 王江安， 韋文濤， 等. 水下航行體尾跡激光雷達探測系統的研制［J］. 華中科技大學學報（自然科學版）， 2011，39（9）: 25–28. LIANG Shan-yong， WANG Jiang-an， WEI Wen-tao， et al. Development of Lidar detection systems for underwater vehicle wakes［J］. Journal of Huazhong University of Science and Technology （Nature Science Edition）， 2011， 39（9）: 25–28.

［15］BUNKIN A F， KLINKOV V K， LUKYANCHENKO V A， et al. Ship wake detection by Raman Lidar［J］. Applied Optics，2011， 50（4）: A86-A89.

［16］劉西站， 薛艷博， 何俊華. 應用于水下能分辨粒徑 10 μm ～500 μm 尾流氣泡的成像系統［J］. 應用光學， 2014， 35（1）: 31–37. LIU Xi-zhan， XUE Yan-bo， HE Jun-hua. Underwater imaging system identifying 10 μm ～ 500 μm wake bubbles［J］. Journal of Applied Optics， 2014， 35（1）: 31–37.

［17］袁軍行， 陳良益. 尾流的全息成像方法研究［J］. 光子學報，2009， 38（3）: 636–640. YUAN Jun-hang， CHEN Liang-yi. Wake holographic imaging［J］. Acta Photonica Sinica， 2009， 38（3）: 636–640.

［18］韓正英， 于佳， 王金城， 等. 基于數字全息術的水中氣泡場獲取方法的研究［J］. 光學技術， 2010， 36（4）: 617–621. HAN Zheng-ying， YU Jia， WANG Jin-cheng， et al. The research of under water bubble field on digital holography［J］. Optical Technique， 2010， 36（4）: 617–621.

［19］王振林. 表面等離激元研究新進展［J］. 物理學進展， 2009，29（3）: 287–324. WANG Zhen-lin. A review on research progress in surface plasmons［J］. Progress in Physics， 2009， 29（3）: 287–324.

［20］田恒斗， 金良安， 石侃. 氣泡艉流場特征及其研究綜述［J］. 中國航海， 2009， 32（4）: 44–48. TIAN Heng-dou， JIN Liang-an， SHI Kan. Characteristics of ship bubble wake field and summary of research on it［J］. Navigation of China， 2009， 32（4）: 44–4

Research on optical detection of wake-bubble of vessels and ships

GUO Lu-ping， ZHAI Yu-sheng， WANG Qi-long， QI Zhi-yang
（School of Electronic Science and Engineering， Southeast University， Nanjing 210096， China）

Acoustic and optical detection methods of wake-bubbles for ships are introduced in this paper.The influences of bubbles on intensity， frequency and polarization of scattered light are discussed in detail.It expounds the fundamentals， the development and the problems existing in different detection approaches for the wake-bubbles， which includ the pulse echo，the laser Raman scattering and the optical imaging detection.In order to improve the signal-to-noise ratio， a novel method of surface plasmon on bubble wake detection is proposed.Due to the good real-time performance， high sensitivity and wide detection area， the optical detection of wake-bubbles and its corresponding application system have the potential to be widely applied in the monitoring of ship sailing， water pollution and biotic env ironment in the ocean.

wake detection；bubbles；optical scattering

U661；TN29

A

1672 – 7619（2016）04 – 0001 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.04.001

2015 – 12 – 14；

2016 – 03 – 03

郭露萍（1990 – ），女，碩士研究生，主要從事光電探測和表面等離激元方面研究。