基于Mie散射特性的微氣泡激光探測仿真與實驗研究?

王羽佳 宗思光 張 鑫

（海軍工程大學 武漢 430000）

1 引言

水面艦艇在航行時會將部分空氣帶入水中，加上螺旋槳的空化會在其尾部出現一條充滿氣泡的尾跡，可在艦船尾后延伸很遠并可看做靜止目標，且保持時間較長，尾流的尺度很大，很難有假目標模擬［1］。如能通過水下激光探測實現對尾流的遠距離探測，就相當于在茫茫大海中鎖定了艦船，進而實現對艦船的追蹤和精確打擊。在實際應用中，探測尾流運用的比較廣泛的技術是聲吶探測，因為聲在水中傳播的距離較遠，能量損耗較小，魚雷上可以安裝特種小型聲吶實現精確制導和自動尋的［2］。但是，水下環境復雜，聲在水中傳輸易受到噪聲的干擾，回波信號的質量也會受到影響。

Preliminary Study on Different Sowing Depth of Rhizoma Atractylodis___________________________________LIU Li,GAO Che,CHEN Wang Xiang 73

激光可以彌補聲吶的不足，在水中傳輸不易受到干擾且方向性好。藍綠激光比其他波長的電磁輻射有更強的海水穿透能力［3～4］，可以利用它來探測艦船尾流氣泡，從而確定艦船航跡。

本文提出了利用鉬絲電解水產生的微小氣泡模擬艦船尾流帶中的氣泡且利用其后向散射特性來研究水下激光微氣泡探測的方法，利用蒙特卡羅仿真驗證其可行性后，嘗試搭建了水下脈沖激光探測微小氣泡系統并進行了室內的模擬實驗。

2 水下氣泡后向散射光信號仿真

粒子形狀大小各不相同，其尺寸遠大于光子尺寸時，可應用米氏散射理論［5～6］建立模型。氣泡屬于微小半徑粒子，但其尺寸遠大于光子尺寸，故光子發射到氣泡上被散射的過程可應用米氏散射理論。由米散射公式可計算出光波長為532nm時，不同氣泡半徑條件下的分布散射強度。圖1是波長532nm，氣泡半徑為10μm和30μm條件下的散射強度圖。

圖1 單個氣泡的光散射強度分布

從圖1可以看出，粒子的散射強度在0°有相當大的峰值，這說明粒子對光的前向散射是非常強的，但是在180°也可以看到有較強的后向散射，這說明可以利用氣泡對激光的后向散射探測水中的微氣泡。

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其中ξ為(0，1)間均勻分布的隨機數。準直光束穿過傳輸介質的能量變化如圖2所示。

實驗水槽長18m，寬1.5m，右側壁有50cm見方的玻璃制觀測窗口，激光器發射光與氣泡層后向散射回波信號均可從觀測窗口發射和接收。在PC端設置激光波長、功率后可打開激光器發射脈沖激光，回波信號進入激光器后經光纖進入接收盒，接收盒可將光信號轉換為電信號，經PC端調節增益大小后，將微弱信號放大，得到電流增益，之后經過BNC線進入示波器，示波器將回波信號的波形展示出來，而后在PC端軟件上進行處理。試驗系統如圖4所示。

在理想條件下，光子在水中運動時，粒子均勻分布。在控制激光波長、發射角、能量后發射激光束，激光束進入水中，通過計算光子的運動路程和光子的運動狀態即可了解光子的運動狀態。在這里假設一個光子與介質微粒發生的相鄰兩次碰撞之間存在一個自由運動過程，光子與介質或微粒只發生碰撞［7］。

圖2 準直光束穿過傳輸介質

由表1可知，氣泡置于3m時，其近場回波信號均值與最大值都是遠大于水體本身的回波信號的；而氣泡置于3.6m與4m處時，其近場回波信號均值與最大值較水體本身回波信號沒有太大變化，產生這種現象的原因是距離較遠的氣泡產生的回波信號無法進入近場接收系統的視場內，近場接收到的回波信號仍是水體本身的回波信號。

圖3 單個光子兩次碰撞散射示意圖

之后，可利用概率統計的方法，計算單個光子的散射角。以此類推，掌握了光子每次自由運動過程的信息，就能獲得其在介質中運動的清晰軌跡。

3 激光探測水下微氣泡實驗系統

由準直光束在介質中傳輸的郎伯定律和概率統計原理，即可得到計算光子運動自由程lp的隨機抽樣方法：

圖4 武漢水槽模擬實驗系統

鉬絲電解法是將鉬絲放入水中通過電解產生微小氣泡，氣泡產生速度快，尺度微小，在水中保持時間較長，利于模擬尾流帶中主要探測的氣泡形態，且更易檢測本文中所用實驗系統的性能。鉬絲電解產生微氣泡如圖5所示。

記錄水中存在微氣泡時一分鐘內的回波信號幅值情況，可得出回波信號的均值與最大值，如表1所示。

圖5 激光照射鉬絲電解產生的氣泡幕

水中放置氣泡幕時產生的回波信號為氣泡后向散射產生的回波信號與水體的回波信號的兩部分的疊加。

圖6 回波信號數據回放

一旦打算要孩子最好盡早受孕。在做出要孩子的決定后就不要再拖延下去了，否則身體的組織不斷地在老化，卵子的活力也越來越低，直接影響胚胎的質量。

分別記錄的水體背景回波信號與不同距離處氣泡幕回波信號如圖6所示。

單個光子兩次碰撞散射過程如圖3所示。

此事鬧得沸沸揚揚，人盡皆知，成為那一年街頭巷口紛紛傳頌的大新聞。眾人議論紛紛，并對這件事的結局做了多種猜測，等待故事的進一步發酵。

表1 回波信號均值與最大值（單位：V）

氣泡置于4m時，其遠場回波信號均值與最大值都遠大于水體本身的回波信號，是氣泡回波信號與大體積水體回波信號的疊加；而氣泡置于3m與3.6m處時，其遠場回波信號均值與最大值較水體回波信號要小，產生這種現象的原因是氣泡幕遮擋住了部分激光束，使其無法到達較遠的水體，故而水體本身產生的回波信號較沒有氣泡時急劇減少，兩者疊加后總體回波信號幅值變小。

綜上，本套系統在3m與4m處分別利用近場接收系統與遠場探測系統探測微小氣泡性能良好，回波信號較水體背景回波信號有大幅度增加。

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4 結語

通過仿真展示了在激光波長為532nm時不同尺度的單個氣泡的光散射強度分布，證明了利用激光后向散射探測艦船尾流的可行性、有效性。嘗試搭建了水下微小氣泡脈沖激光探測系統，得到了不同距離處氣泡幕的回波信號變化規律。結果表明，本套探測系統可應用于位于3m與4m處的水下微小氣泡探測進而探測艦船尾流帶。