尾流氣泡幕光譜特性研究

方雪麗,張建生

(西安工業大學 基礎學院,陜西 西安,710021)

0 引言

近年來,隨著各國海軍力量的迅速發展,船舶隱身技術有了很大提升,也對各國探測外來船只提出了新挑戰。艦船在水面航行過程中,其螺旋槳擾動周圍海水會產生一條長長的尾流,尾流中有很多由大小不等的氣泡組成的氣泡幕,這條氣泡幕帶不僅有很長的距離,其持續時間可從幾分鐘到十數小時。尾流具有光學、聲學及電磁特性等多種物理特性。相比其他物理特性,光具有傳播速度快、抗干擾性強等優點,利用光學特性進行探測能夠更加準確地判斷出尾流是否存在,并根據尾流所反映的信息進行船舶位置判斷。

在國外,1955 年Davis[1]最早開展了有關尾流氣泡幕研究。20 世紀70—90 年代,Marston 團隊[2-4]進一步研究了氣泡的光散射特性。1994 年,Stramski[5]利用光學全息技術測出了尾流氣泡幕的分布大小。2018 年,Takahashi 等[6]通過光散射技術,開發出了一種確定尾流氣泡大小和濃度的方法。

國內針對艦船尾流的研究雖晚于國外,但已形成一定的研究成果。2001 年,由張建生[7]首次進行了尾流的光學特性研究,完成了實驗室中氣泡幕定量研究與真實尾流光學特性研究,設計完成了水下測試實驗系統,并對真實尾流進行了光學特性的測量。2008 年,針對尾流氣泡的前向散射光特性,孫春生等[8]利用Mie 散射理論,對不同氣泡的散射能量進行計算與分析,獲知氣泡群的前向散射強度遠小于后向散射強度,氣泡表面附著的有機膜對前向散射的影響不大,對后向散射光強度顯著增強。2013 年,針對尾流氣泡幕后向散射偏振特性,楊郁等[9]利用Mie 以及蒙特卡羅的方法,分別研究了入射光偏振態、氣泡幕散射系數以及尾流厚度對偏振態的影響。2015 年,張帆等[10]利用蒙特卡羅方法建立了氣泡群散射模型,并分析氣泡群散射強度以及模擬前、后向接收屏光強分布,最后搭建實驗平臺驗證理論以及仿真結果,利用干涉法對尾流區域判斷,為尾流探測提供了一種新的方式。2018 年,李能能[11]為解決傳統船舶散射模型無法有效描述氣泡感知能力的問題,設計了Mie 前向光散射的尾流模擬氣泡分析模型,相比傳統模型可有效提升尾流氣泡幕在橫縱方向的感知能力。2021 年,張瑞瑞[12]分析了船舶尾流光學檢測技術的研究成果,提出基于頻域理論的船舶尾流光學檢測技術與工作原理,通過實驗證實頻域理論中的激光多普勒測量方法能夠完成對船舶尾流的光學檢測,從而準確確定船舶尾流位置。為了進一步完善艦船尾流的探測技術[13-15],文中提出一種新的尾流氣泡幕光學特性探測方法,基于光纖光譜技術對尾流氣泡幕進行光譜探究。搭建了光譜數據采集平臺,并對氣泡幕不同壓強狀態下的透射光譜進行了測量。

1 實驗儀器及方法

1.1 實驗儀器

文中采用光纖光譜采集系統來獲取尾流氣泡幕的透射光譜。實驗系統由模擬氣泡系統和光譜數據采集系統兩部分組成。實驗室模擬尾流系統主要有2 種: 一種采用船模制造尾流氣泡幕;另一種采用特殊定制的微孔陶瓷管或不銹鋼管與氣泵相連接,將管置于水槽底部,利用氣壓來制造氣泡幕,通過調節氣泵氣壓的大小來獲取不同濃度、不同大小的氣泡。由于船模在實驗室環境下無法固定,同時水池深度有限,船模吃水量有限,無法模擬出與真實尾流相近的氣泡幕,所以文中采用微孔陶瓷管與氣泵相連接的方式制造氣泡幕。由于水介質有其固有的光學特性(如衰減、吸收和散射等),所以在光譜分析過程中要同時考慮氣泡幕光譜測量結果和水的固有光學特性的影響。

實驗系統由光源白熾燈、盛水裝置玻璃水池、制造氣泡幕微孔陶瓷管構成,采用光纖進行光路傳輸,最終通過光纖光譜儀和Oceanview 軟件進行435～730 nm 的光譜采集,圖1為系統原理圖。表1 例舉了系統各部分的型號及參數。

表1 光譜采集系統實驗儀器型號及參數Table 1 Model and parameters of experimental instruments for spectrum acquisition system

圖1 尾流氣泡幕光纖光譜測量系統原理圖Fig.1 Optical fiber spectrum measurement principle of wake bubble curtain

1.2 氣泡幕變化過程

在實驗室模擬的尾流氣泡幕中含有大量氣泡,氣泡大小和形狀隨氣壓的改變而變化[16]。氣泡按直徑的不同分為小氣泡(直徑<1 mm)和大氣泡(直徑>1 mm)。小氣泡在運動中會形成1 個較大的氣泡,大氣泡受到大的浮力之后快速上升,有些大氣泡會在水面破碎,有一部分也會在上升過程中分解成小氣泡,所以氣泡不論大小,都會在運動中不斷變化。

根據中國科學院西安光學精密機械研究所尾流氣泡計算數據顯示[7],直徑約在0.15～3.67 mm 間的氣泡形狀接近球形,直徑>3 mm 的氣泡形狀為橢球冠狀或球冠狀。隨著氣泡半徑的變化,氣泡數量也隨之變化,氣泡半徑越小,氣泡數量越多,這是由于半徑較大的氣泡會上浮至水面消失。尾流氣泡幕圖像如圖2 所示。

圖2 尾流氣泡幕圖像Fig.2 Wake bubble curtain image

圖3為0.020 MPa 和0.035 MPa 下的氣泡幕圖。可以看出氣體壓強越大,氣泡幕濃度越高。

圖3 不同氣體壓強下的氣泡幕Fig.3 Bubble curtain under different gas pressures

1.3 光譜數據采集

實驗中所用的光纖光譜儀的光譜波段范圍為200～850 nm,由于受環境以及光源本身波長范圍的影響,200～435 nm 波段和730～900 nm 波段透射率變化波動范圍較大,故選擇435～730 nm 波段進行光譜數據分析。根據光譜強度的不同,調節積分時間等其他參數,并保證在實驗過程中參數始終保持不變。其中系統積分時間為100 ms,掃描平均次數為15,滑動平均寬度為3。將水池中注入高40 cm 的水,光譜數據采集點選擇距離水面15 cm的下方固定光纖探頭,并在水池對面同樣的位置放置光源,每間隔5 min 保存一次數據,結果取5 次測量數據平均值作為最終的光譜數據。實驗過程中,為了盡量避免外界光源對光譜測量結果的干擾,將光纖探頭緊貼水池,電腦屏幕背對實驗水池,同時選擇將實驗室的窗戶封閉,將測量系統周圍用黑布遮擋,制造暗室環境,避免外界自然光的影響[17-20]。

2 透射光譜

2.1 基本理論

物體的透射率可表示為物體的透射光譜能量與初始光譜能量的比值,即

朗伯-比爾定律又稱光的吸收定律,是吸光光度法的理論基礎和定量測定的依據,描述了有色溶液對單色光的吸收程度與溶液濃度和光通過的溶液厚度之間的定量關系,應用于分子吸收光譜,表達式為

2.2 透射光譜特性分析

圖4為0.1～0.6 MPa 不同氣壓下氣泡幕在435～730 nm 波段內獲得的透射光譜。由圖可以觀察到不同壓強下的氣泡幕透射光譜形狀相似,存在1 個明顯的特征峰。在435～730 nm 波段內,氣泡幕透射率均為正值,0.6 MPa氣壓下氣泡幕的透射率總體小于0.1 MPa 氣壓下氣泡幕的透射率。

圖4 不同氣壓下透射光譜原始光譜圖Fig.4 Original transmission spectrum under different gas pressures

透射光譜不同壓強下氣泡幕在435～730 nm 波段內均呈現出逐漸增大的趨勢,在435～650 nm 波段內緩慢增大,然后在650～730 nm 波段內迅速增大。通過實驗可知: 在435～730 nm 波段內,同一實驗環境下,不同壓強會導致氣泡幕的濃度變化,氣壓越大,氣泡幕濃度越高,透射率隨著氣泡幕濃度的增加而減小,說明在該波段內,入射光始終保持不變的情況下,由比爾朗伯定律可知,隨著氣泡幕濃度的增加,對光的吸收增大,透射光強度減小,透射率減小。由于實驗中氣泡幕發生裝置是微孔陶瓷管,當氣泵壓力較小時,連接的水槽中微孔陶瓷管出口氣壓相對較弱,所以氣泡產生過程較慢,氣泡密度也相對較小。當氣泵壓力很大時,由于微孔陶瓷管的孔徑恒定,所以氣泡運動會加速,單位時間內通過微孔的氣泡量增加,且氣泡半徑增大。觀察圖4 中的數據發現,當氣壓增加時,由于光源通過氣泡幕的反射、折射以及散射效應使得透射光減少,氣壓越大,透射率越小。除了氣泡幕濃度對透射率的影響,水對光選擇吸收特性也造成透射光譜在不同波段呈現出不同透射率,在不同的光譜區域有明顯的變化,在可見光波段內,由于光在空氣中的衰減不同,空氣中長波穿透比較大,與可見光全波段光譜透射率相比,由圖4 可以明顯看出430～550 nm 的透射率小于600～730 nm波段內的透射率。

3 結束語

文中對尾流氣泡幕的透射光譜進行測量,采用光纖光譜儀對水池中靜置超過24 h 的水在固定點進行光譜的明暗校正,其次在實驗中使用氣泵連接微孔陶瓷管,分別在0.1～0.6 MPa 不同壓強下,通過氣泵制造的氣泡幕需保持3 h 以上的穩定,再通過光纖光譜采集系統對其進行透射率光譜測量,在此過程中選取的測量點與靜水時選取的點位相同。實驗研究發現,在0.1～0.6 MPa 不同壓強時氣泡幕光譜的透射率雖然不同,但形狀大致相近。隨著壓強的變化氣泡濃度改變,對透射率數值有很大影響,氣壓每增加0.1 MPa,透射率平均降低1%左右。

綜上所述,可知采用光纖光譜技術對尾流氣泡幕進行光譜檢測是可行的,從而為尾流氣泡幕的探測提供了新的方法。未來可將尾流氣泡幕光譜的實驗室結果與實際海中航行的船舶尾流氣泡幕光譜數據進行對比;不同海域因地理條件以及水中含有無機物和有機物含量的不同,對光譜測量結果造成的影響也不同,接下來將根據這些信息進一步判斷船舶的位置,同時在光源的選擇上也應進一步改進。