一种新的激光探潜方法

文章编号:1009-3486(2002)06-0077-03
一种新的激光探潜方法
马治国,王江安
(海军工程大学兵器工程系,湖北武汉430033)
摘 要:提出了一种不同于现有激光探潜原理的新方法,该方法利用潜艇尾流中气泡的光散射特性来探测和跟踪潜艇.对该方法的原理进行了简单的介绍,还对所涉及到的几个关键问题进行了初步的探讨和研究.
关键词:激光;尾流;气泡;散射
中图分类号:TN249 文献标识码:A
随着潜艇航速的增加、/寂静0潜艇的出现以及消磁技术、各种声对抗技术、无磁性艇壳材料的采用,使得潜艇的隐蔽性与机动性进一步增强,潜艇在现代海战中起着越来越大的作用.因此,各国海军对反潜战极为关注,并且竭尽全力研究反潜战的战略、战术,开发各种探测设备和反潜武器.为对付潜艇的日益严重的威胁,各国海军更加重视研究新的水下目标探测手段.
传统的潜艇探测手段是采用声纳探测和磁异常探测.在探测与反探测的竞争中,各种先进的消声技术、消磁技术大量应用以减小潜艇的噪音和磁效应,声纳探潜、磁异常探测的能力已被大大削弱,因而各潜艇大国正在加速发展非声纳、非磁效应探测技术,如激光探测、红外热像仪探测、气体分析仪探测以及生物发光探测等[1].但就目前来说,这些探测技术还不能达到实战的要求,均存在着这样或那样的缺陷.因此,研究新的探潜方法,使各种探潜手段优势互补,增强战术重组能力以适应未来高科技海战的需要.本文尝试通过潜艇尾流气泡的光散射特性来探测和跟踪潜艇,并对关键技术进行了初步的探讨.1 原理及可行性
目前,用激光探测潜艇主要是根据有没有反射信号及其信号特征来推断所探测到的是否为潜艇.就激光探潜来说,目前还没有探测深度达到300m 的实验系统,已达到的探测深度是70m,与实用要求相差悬殊.而且,由于这种探测方法所探测的是潜艇的反射信号,其探测范围很有限,必须在潜艇的周围才有效,因而效率不高.
潜艇尾流是潜艇运动时螺旋桨产生的一长条含大量气泡的湍流区域,它主要由螺旋桨空化引起的.在潜望镜深度航行的潜艇尾流约在90m 左右远处上浮到水面.气泡发生在潜艇的尾流中,而且尾流中的气泡十分微小(其直径在L m 量级),上升速度较慢,故能在海水中保留很长时间,其光学效应(主要是散射效应)将维持更长时间,大约为数小时.由于气泡的存在,水的光学特性与无气泡时会有显著的区别.潜艇尾流中气泡的大小接近于蓝绿激光的波长,其米氏(Mie)散射效应十分明显.这就为我们利用尾流中气泡的光学特性作为探测潜艇的信号提供了可能.实际上,通过理论计算和对有关实验结果的分析,我们认为采用光学方法研究潜艇尾流气泡并且依此对潜艇进行跟踪是完全可行的[2].
第14卷 第6期 2002年12月 海军工程大学学报 JOURNAL OF NAVAL UNIVERSITY OF E NGINEERING Vol.14 No.6 Dec.2002
*收稿日期:2002-04-08;修订日期:2002-06-12
作者简介:马治国(1978-),男,硕士生.
2 关键问题及技术的初步探讨
2.1 潜艇尾流及尾流气泡特性
2.1.1 潜艇尾流特性
潜艇尾流的产生以及在水中的散射是一个比较复杂的过程,由于紊流动能的掺混作用和尾流势能的回复作用,它包括锥形增长期和崩溃期两个阶段,其整个过程服从流体力学、动力学和运动学等方面的规律.在稳定层化海洋中,潜艇尾流以圆锥形增长;而在非层化海洋中,初期尾流也以圆锥形增长,但在浮力作用下,尾流垂向增长崩溃,然后以又薄又宽的近于矩形截面增长,最后垂向尺度趋于常值[3].
对尾流增长和崩溃影响最重要的参数是Froude 数F 、尾流产生的时间t 与Brun-t Vaisala 周期T 的比值t/T.Brun-t Vaisala 周期T 是流体微团绕其原来的平衡位置的振荡周期,其定义为:
T =2P /|g Q 5Q 5z
|1/2(1)式中:5Q 5z
为海水的密度梯度;Q 为海水的密度;g 为重力加速度. 潜艇尾流的崩溃时间t c 与层化海洋的Brun-t Vaisala 周期T 密切相关,实验结果表明,t c 与T 有如下
的关系:t c /T U 1/3
(2) 这是一种近似估算,因为尾流的崩溃过程是一个渐进过程,要经历相当长的一段时间.
另外,在崩溃期,尾流的垂向尺度对周围海水的密度梯度很敏感,正比于Brun-t Vaisala 周期T ,但尾流垂向的渐进高度只与T 1/4成正比.
2.1.2 潜艇尾流气泡特性
要通过潜艇尾流气泡的光散射特性来探测和跟踪潜艇,就必需对尾流中气泡的特性进行深入的研究,首先要解决以下几个问题:
(1)气泡的分类 除了研究对象之外,在所研究的介质中可能有各种各样的气泡,这就要求对气泡给予分类、鉴别,指出各种气泡的特征,并且以此特征为依据对船舶通过前的初始气泡密度和海洋的其它特征作出分析;
(2)气泡的运动规律 根据研究过程中气泡的动力学特征,综合温度、压强、日照等各方面的因素,对气泡的运动规律作出正确的结论;
(3)气泡的衰减规律 气泡在运动过程中必然伴随着衰减,这包括气泡在运动过程中的形变、分裂、结合、熄灭以及位移.每个气泡的运动和衰减情况由于各自不同的特征而会大不相同,但对于大量气泡而言,在特定的大气压、风速、光照、温度等条件下,必然具有共同的规律性,且必然是有一定宏观特征的函数.
2.2 尾流气泡光散射特性
由于气泡的存在,海水的光学特性与无气泡时会有显著的区别.当气泡的大小与所使用的光的波长可以比拟时,散射的影响是非常显著的.我们所研究的对象)))潜艇尾流气泡的直径大小接近于蓝绿激光的波长,其散射过程可以用米氏(Mie )理论进行分析和研究.
光在海水中传播时,会遇到许多气泡而不断被散射,所以非散射部分的直射光将变得越来越少.海水中传输的光被气泡散射而偏离光轴,经过多次散射后,部分光子又能重新进入光轴,这一部分光就被称为多次散射光[4].
从理论上讲,入射到海水中每个体积元的光能都会按照体积散射函数向各个方向散射,海水中每个体积元都会接收到其它任意体积元散射的光.由于海水具有的尖锐前向散射区域,大部分光还是沿着光的传输方向.但随着光的传输距离增加,光的直射部分将逐渐减少.当传输路程足够长时,在传输方向没#78#海 军 工 程 大 学 学 报 第14卷
有遇到散射而到达的光会迅速减少,多次散射光将逐渐占据主导地位.虽然散射光是发散的,但在靠近光束中心处的光仍然较强,这说明多次散射仍保留着较强的前向散射特性.这部分光对于激光在海水中的能量传输十分重要,多次散射光增加了到达气泡的光能量,从而增加了返回的光信号强度.但另一方面,由于多次散射光的传输路线要比几何路线长,这样就会造成脉冲激光的时间展宽,即多通道效应,从而导致信号接收和处理难度的增加.
2.3 海水表面反射光的抑制
由于海水表面的反射,其回波信号的噪声较大,严重干扰了信号的接收和处理.如何有效地克服海水表面的反射光是激光探测尾流气泡所需解决的关键问题之一.克服海水表面的反射影响可以考虑采用距离选通技术[5]
.
激光器发射很强的短脉冲,脉冲激光通过大气和海水传输到尾流气泡上,对气泡进行照射,由气泡散射的激光返回到接收机.当激光脉冲处于往返途中时间内,激光探测系统的接收器选通门关闭,这样就挡住了来自海水平面的反射光.当散射光到达接收机一瞬间,选通门开启,让来自目标的散射光进入接收机.选通门开启持续时间与激光脉宽基本一致,这样,形成的目标图像主要与距离选通时间内的散射光有关.
2.4 大动态范围信号的接收和检测
从机载或舰载平台向下发射的激光脉冲,经过空气)海水界面,一部分被海水反射,另一部分则进入海水.透射光进入海水之后,海水对其进行选择性吸收和散射.尾流气泡的后向散射光与海底反射光一起组成回波光信号返回海面,经过海水)空气界面又折射回到空中,经过大气,被载体上的探测器件接收.此信道较为复杂,系统所探测到的尾流气泡后向散射光是一种叠加在海面反射光和海底反射光上的非常微弱的信号[6].由于海面反射的光信号比气泡散射的光信号强得多,同时,后向散射的光能量随海水深度呈指数衰减,因而机载激光探测系统所探测到的回波信号动态范围很大,一般可达到104~
106.这样大的动态范围信号与现有的测量、数据存储和处理设备所能接受的动态范围(102~103)是不匹配的,必须对机载激光探测回波信号进行预处理,压缩其动态范围以满足后续设备的要求.可采用光电倍增管(PMT)可变增益控制技术探测激光回波信号,并对PMT 的工作状态进行实时同步控制,实现对激光回波信号动态范围的压缩.另外,还可采用门控技术、偏振检测技术和对数放大器技术等实现对激光回波信号动态范围的压缩.3 工作展望
根据研究工作所涉及到的主要内容,就目前来说,还需要对潜艇尾流的特性和尾流气泡群体的光散射特性进行更为深入的研究.在具备必要的实验设备(激光器、记录分析仪等)的基础上,研究不同条件下、不同气泡密度时的光散射的规律性,为尾流跟踪提供实验依据,并在实验结果基础上,提出尾流跟踪系统的整体可行性方案.
参考文献:
[1] 赵长明,黄 杰.未来激光探潜和对潜通信技术的发展[J].光学技术,2001,27(1):53-56.
[2] 赵建生,孙传东,卢 笛.水中气泡的特性研究[J].西安工业学院学报,2000,20(1):1-8.
[3] 齐力杰,徐世昌.潜艇尾流尺度的计算[J].青岛大学学报,1999,14(3):72-74.
[4] 陈 烽.机载激光测深中激光传输通道的光学特性[J].应用光学,2000,21(3):32-38.
[5] 蒋鸿旺.水下光电探测系统现状与发展[J].激光与红外,1999,29(3):136-139.
[6] 杨克成,朱 晓,李再光.机载激光测深系统中回波信号大动态范围的偏振压缩[J].中国激光,2001,A28(1):74-
76.(下转第83页)
#79# 第6期 马治国等:一种新的激光探潜方法
由于树的规模庞大,必须采用计算机进行仿真计算,仿真系统的运动时间为1000h ,且当分支概率过小时进行截止.仿真结果如图3所示.
5 结束语
针对具有动态过程的系统,FTA 、ETA 等静态故障描述方法无法反映出过程变量与部件的高度交互作用影响.本文基于Markov 状态转移模型来描述此动态过程,在求得转移概率矩阵后基于离散事件树结构进行仿真计算,从而避免了求解析解的困难.
但本方法也有很多问题需要解决.由于在进行状态划分时,往往需要考虑这个划分间隔的适度性,如果间隔过宽,也就是离散程度太大,容易造成动态描述的/失真0,间隔过密更符合动态过程的连续性,所以考虑到对计算量的压力,这个间隔要适度;在仿真计算时,需要对小概率分支进行截止,这一处理可能导致误差增大.
参考文献:
[1] Siu N.Risk assessment for dynamic systems:an overview [J].Reliability Engineering and System Safety ,1994,(43):43-73.
[2] Hassan M,Aldemir T.A data base oriented dynamic methodology for the failure analysis of closed loop control system in process
plan ts [J].Reliability Engineering and System Safety,1990,(27):275-322.
[3] Aldemir puter -assisted M arkov failure modeling of process control systems [J].IEEE Transacti ons on Reliability,1987,
R -36(1):133-144.
Reliability analysis method based on states transition
of process control system
H UANG Fe-i teng,YU Jun,XIAO Hang
(Po wer Eng.College,Naval Univ.of Engineering,Wuhan 430033,China)
Abstract:Based on the Markovian assumption of process control system,the stochastic dynamic process of the sys -tem is discreted and discribed by state transition method.After calcula ting the matrix ,the discrete event tree is es -tablished and used to solve the system fault probability.In the end the method is used to analyse the water level control system.
Key words:Markov chain;discrete event tree
(上接第79页)
A new method for detecting submarine by laser
MA Zh-i guo,W ANG Jiang -an
(Dept.of Weaponry Eng.,Naval Univ.of Engineering,Wuhan 430033,China)
Abstract:A new method for detecting the submarine by laser is brought forward which is different to the method in e xistence.This method makes use of the light scattering property of bubbles in the submarine .s wake to detect and track the submarine.Its simple theory is introduced and some key related problems are discussed and studied pr-i marily.
Key words:laser;wake;air bubble;scattering #83# 第6期 黄飞腾等:基于Markov 状态转移的动态可靠性分析。