尾流氣泡幕的光散射特性研究

摘 要：【目的】對不同波長下激光的散射光特性進行研究，旨在選擇一種能夠識別海上艦船尾部留下的尾跡，并對尾流進行追蹤的激光器。【方法】選擇自由電子激光器（FEL-YBY）作為光源，與傳統(tǒng)的選擇He-Ne激光器作為光源進行模擬實驗對比分析。通過空氣壓縮機來控制產(chǎn)生的尾流氣泡幕，通過改變氣壓來探究尾流氣泡幕的激光散射特性。【結(jié)果】通過理論模擬不同波長下的散射光強，發(fā)現(xiàn)隨著散射角的增加，散射光強在減小，波長短的散射光強要大于波長長的散射光強，且整體振蕩相似。通過實驗模擬尾流氣泡幕對不同波長的散射光強，發(fā)現(xiàn)隨著壓強的增加，散射光強減小，氣泡幕的密度增加，同時散射光強的寬度隨著壓強增大而變寬，波長短的散射光強峰值寬度比波長長的峰值寬度窄。【結(jié)論】通過對尾流氣泡幕的光散射特性進行研究，可以為艦船尾流的探測、識別及追蹤提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：Mie散射理論；尾流氣泡幕；氣泡幕密度

中圖分類號：TJ630.1；O433.1 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）18-0010-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.18.002

Study on Light Scattering Characteristics of Wake Bubble Film

JIAO Guijin1 ZHANG Jiansheng1 YAN Linbo1 WANG Chengying2

（1.School of Sciences， Xi'an Technological University，Xi'an 710021， China;

2. North Development Investment Co.， Ltd.，Xi'an 710200， China）

Abstract： [Purposes] This paper studies the characteristics of laser scattering light at different wavelengths to select a laser that can identify the wake left by the tail of the ship at sea and track the wake. [Methods] The simulation experiment was made to make a comparative analysis between the light source of the free electron laser （ FEL-YBY ） and the light source of the traditional He-Ne laser. The generated wake bubble curtain is controlled by an air compressor， and the laser scattering characteristics of the wake bubble curtain are explored by changing the air pressure. [Findings] The scattered light intensity at different wavelengths is simulated theoretically. With the increase of scattering angle， the scattered light intensity decreases. The scattered light with short wavelength is stronger than the scattered light with long wave， and the overall oscillation is similar. With the increase of pressure， the scattered light intensity decreases， the density of the bubble curtain increases， and the width of the scattered light intensity widens with the increase of pressure. The peak width of the scattered light intensity with short wavelength is narrower than that with large wavelength. [Conclusions] By studying the light scattering characteristics of the wake bubble curtain， this paper can provide some reference for the detection， identification and tracking of the ship wake.

Keywords：Mie scattering theory; wake bubble film; bubble film density

0 引言

船舶航行時，由于螺旋槳的空泡現(xiàn)象、船體水線部分卷入的大量空氣、艏部興波的破碎等因素，會在艉部形成一條含有大量氣泡的尾跡，常稱之為氣泡艉流場［1］。2009年冀邦杰等［2］發(fā)現(xiàn)在不同介質(zhì)中，激光傳播時波前會發(fā)生改變，并提出了一種利用激光穿過尾流場后波前變化檢測尾流場的方法。通過對比激光經(jīng)過靜水和實驗室尾流模擬裝置后波前的變化，成功實現(xiàn)了尾流場的檢測。2013年張建生等［3］基于米氏散射理論，采用單氣泡散射理論模型，研究了激光在前向散射過程中的特性，以及沿著光軸周圍的照度分布狀態(tài)。2023年宗思光等［4］通過分析艦船尾流排布和氣泡目標屬性，運用蒙特卡洛仿真技術(shù)，成功模擬了不同尺度、密度和厚度的艦船尾流氣泡群的后向散射回波信號特性，揭示了水下航行器搭載激光探測系統(tǒng)在搜索和跟蹤階段信號變化趨勢，以及各種目標艦船的激光后向回波信號強度變化，這有助于準確模擬激光探測系統(tǒng)對艦船尾流目標屬性的實際追蹤情況。2016年郭媛媛等［5］通過水池試驗，探究了接受視場角度和探測距離對尾流氣泡幕后向散射光影響。結(jié)果表明，后向散射回波信號隨著探測距離的增大而減小，隨著視場接收角度的增加呈線性增加。

本研究基于光強光譜儀技術(shù)，探究尾流氣泡幕光散射特性研究，通過研究對比不同激光波長對尾流氣泡的影響，為尾流的探測、識別、追蹤提供一定的依據(jù)。

1 理論基礎(chǔ)

米氏理論，也被稱為米氏散射理論，是研究顆粒光散射的重要原理。為了解光如何與不同大小和組成的球形粒子互動，提供了一個數(shù)學框架。通過應(yīng)用米氏散射理論，研究人員能夠精確地預測和分析光通過云、氣溶膠和生物細胞等顆粒的散射模式。依據(jù)米氏散射理論，當激光照射到氣泡時，以坐標原點為氣泡的中心，圖中的散射光強q點到球形o點的距離為r，θ為散射光與x軸的夾角，稱為散射角，單個氣泡散射如圖1所示。

通過米氏散射理論，可以得到q點的散射光強為式（1）。

[Is=λ24πr2I0S1（θ）+S2（θ）] （1）

式中：[θ]為散射角；[I0]為入射光強；[λ]為入射波長；[Is]為散射光強。

因此，[S1（θ）]和[S2（θ）]可以表示為式（2）、式（3）。

[S1（θ）=n=1∞2n+nn（n+1）（anπn+bnτn）] （2）

[S2（θ）=n=1∞2n+nn（n+1）（anτn+bnπn）] （3）

式中：[S1]、[S2]為幅值函數(shù)；[πn]、[τn]為勒讓德函數(shù)。

其中，[an]和[bn]可表示為式（4）、式（5）。

[an=φn（α）φ′n（mα）-mφ′n（α）φn（mα）εn（α）φ′n（mα）-mε′n（α）φn（mα）] （4）

[bn=mφn（α）φ′n（mα）-φ′n（α）φn（mα）mεn（α）φ′n（mα）-ε′n（α）φn（mα）] （5）

式中：[an]、[bn]為Mie散射系數(shù)；m、[α]分別是折射率和粒子直徑。

不同波長的散射光強理論模擬。圖2和圖3分別為波長455 nm和632.8 nm的理論模擬散射光強變化。縱坐標散射光強取對數(shù)，水的相對折射率為0.75。從圖中可以看出，隨著波長的增加，散射光強在減少。激光波長為455 nm時的散射光強在0°附近振蕩，且散射光強振蕩最高接近9左右，而在180°附近振蕩的散射光強最高接近于2左右。激光波長為632.8 nm時的散射光強在0°附近振蕩，且散射光強振蕩最高接近7左右，而在180°附近振蕩的散射光強最高接近于1左右。散射光強在0°到30°范圍內(nèi)振蕩劇烈快速衰減，60°到120°范圍內(nèi)振蕩會隨著散射角的增大而降低，在180°時振蕩開始上升。在0°附近振蕩性隨著散射角的減小而增大，在180°附近振蕩性隨著散射角的增大而增大。圖2中的散射光強整體的振蕩優(yōu)于圖3散射光強振蕩，一般小于90°的稱為前向散射，大于90°稱為后向散射，一般散射光強在0°和180°附近振蕩明顯。

2 實驗儀器

本實驗通過光纖光譜儀進行測量，光源選擇FEL-YBY激光器藍光和He-Ne激光器紅光，波長分別為455 nm和632.8 nm。實驗由兩部分構(gòu)成，一部分是由水池、微孔陶瓷光、空氣壓縮機等組成；另一部分，由光纖光譜儀、光纖探頭、計算機等組成。數(shù)據(jù)采集通過Oceanview軟件獲得。光源和氣泡幕以及光纖探測器在同一高度，室內(nèi)環(huán)境在黑暗的環(huán)境條件下測量尾流氣泡幕，以減少外界光源造成的影響。在實驗室，用光纖光譜儀測量尾流氣泡幕的光散射特性，研究在不同壓強下的散射光強隨著波長的變化，由于水這種介質(zhì)會對光進行吸收、散射、衰減等，因此，在測量過程中不僅要考慮氣泡的光學特性，還要考慮到水本身的光學特性。測量尾流氣泡幕的實驗裝置如圖4所示。

3 實驗結(jié)果

實驗室模擬尾流氣泡光散射特性，取壓強為1 MPa、1.5 MPa、2 MPa、2.5 MPa、3 MPa。圖5和圖6分別為波長455 nm和632.8 nm的測量尾流氣泡幕的光散射特性試驗。

從圖中可以看到，隨著壓強的增加，散射光強減小，且壓強增加，尾流氣泡幕的數(shù)密度增加，氣泡的尺寸增加。隨著波長的增加，散射光強在不斷地增大，且變化相似。隨著壓強的增加，峰值的寬度不斷地變寬，探測器接收的信號逐漸變?nèi)酰ㄩL短的藍光的散射光強整體要高于波長長的紅光的散射光強，藍光的整體峰值寬度要比紅光的峰值寬度窄，探測器接收到的藍光的信號較強。FEL-YBY激光與He-Ne激光測量前向散射峰值散射光強在不同壓強的變化，藍光的整體的散射光強高于紅色散射光強。而且藍光對尾流氣泡幕的散射光強是紅光的幾倍多，從散射光強的峰值變化來看，尾流氣泡幕對藍光的傳輸影響要強于紅光，散射作用也強于紅光。并且從圖中可以看出整體的散射光強變化相似，隨著壓強增大，散射光強在減小。

4 結(jié)論

本研究通過理論模擬了不同波長下的散射光強，發(fā)現(xiàn)波長短的散射光強的振蕩強于波長長的散射光強，且臨界角也不同。靠近臨界角的散射光強減小，遠離臨界角的散射光強增加，特別是在0°附近的振蕩較強。通過實驗模擬了尾流氣泡幕對不同波長激光的散射光強變化，發(fā)現(xiàn)隨著壓強的增加，尾流氣泡幕的散射光強在減少；隨著氣壓改變，峰值寬度在不斷地減小。波長短的散射光強寬度小于波長長的散射光強寬度，波長短的散射光強大于波長長的散射光強。通過實驗對比，發(fā)現(xiàn)尾流氣泡幕對激光波長短的敏感度強于波長長的敏感度，實驗結(jié)果與理論結(jié)果相符合。綜上所述，通過探究尾流氣泡幕的光散射特性，由FEL -YBY激光器作為光源，可對艦船尾流的探測、識別、追蹤提供一定的基礎(chǔ)。

參考文獻：

［1］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.

［2］冀邦杰，王海陸，嚴由嶸，等.一種利用激光波前變化檢測尾流場的方法［J］.魚雷技術(shù)，2009，17（2）：25-28.

［3］張建生，陳焱，孫建鵬.模擬氣泡幕激光近軸前向散射照度分布［J］.應(yīng)用光學，2013，34（3）：512-516.

［4］宗思光，張鑫，曹靜，等.艦船尾流激光探測跟蹤方法與試驗［J］.紅外與激光工程，2023，52（3）：205-216.

［5］郭媛媛，金方圓，王運鷹，等.氣泡群激光后向散射特性水池試驗研究［C］//2016年中國造船工程學會水中目標特性學組學術(shù)交流會論文集，2016-10，中國遼寧大連：《聲學技術(shù)》編輯部（Editorial Office of Technical Acoustics），2016：88-90.