激光探测气泡尾流研究

收稿日期:2006-05-09 修回日期:2006-08-31*基金项目:国防重点基金资助项目(614012)
　作者简介:徐麦容(1973-　),女,湖北鄂州人,硕士研究
生,主要研究方向:光电技术应用。

文章编号:1002-0640(2007)12-0059-03
激光探测气泡尾流研究
*
徐麦容1,2,蒋小勤1,曹　静1
(1.海军工程大学,湖北　武汉　430033,2.武汉科技大学理学院,湖北　武汉　430081)
摘　要:概述了探测气泡尾流的基本原理和重要现实意义。

气泡尾流中包含有运动舰船的相关信息,激光穿过气泡尾流区域时会发生散射现象,通过对散射光的探测和分析,能达到对舰船的探测、辨别、识别的目的,这也是研制光制导鱼雷的基础。

综述了目前国内外在这一领域的研究成果及研究现状,提出了将激光探测气泡尾流应用于实践亟待解决的理论和实践上的具体问题,同时对研究前景进行了展望。

关键词:气泡,气泡尾流,M ie 散射
中图分类号:T N 247,O 436 文献标识码:A
Research on Detecting Bubble Wake by Laser
XU M ai -rong 1,2,JIANG Xiao -qin 1,CAO Jing
1
(1.N av al U niv er sity of Eng ineer ing ,W uhan 430033,China ,
2.College of S ciences W uhan U nivers ity of S cience and T echnology ,W uhan 430081,China )
Abstract :T he basic pr inciples and sighificance of the detecting bubble w ake by laser are discussed .Plenty o f information about the moving ship is included in the bubble w ake.The scattering phenomenon is generated during laser light thr oug h m any air bubbles of the w ake area.Through detecting and analyzing of scattering light detection,identification,recognition are g otten.And these are bases for development of optics guided torpedo .Integr ating the resear ch resealte with status quo of the research ,so me problems on detecting bubble w ake by laser applied to the practice are pro posed and its future are prospected .
Key words :air bubble,bubble w ake,Mie scattering
引　言
目前,光、电、磁、声等技术都已应用于舰船的探测与制导。

但随着降噪技术,消磁技术,光、电对抗技术的迅猛发展[1],传统的探测技术,单一探测方法往往不能胜任战场环境的需要,发展新的、有效灵活的探测制导技术越来越受到研究者的重视。

舰船尾流携带有运动舰船的大小、航速等重要信息,因而研究尾流物理场具有重要的军事应用价值。

运动舰艇会对其所在区域海洋物理场产生扰
动,产生通常所说的尾流场,不同种类的尾流始终为制导技术所关注。

尾流的热特性、声学等特性已呈为尾流探测的依据:美国海军微波及声学试验室将敏感的温差电堆(能记录下0.01F 的温度变化)固定于水面船体探测舰船的热尾流,但这种方法仅仅适用于上层的海水中存在垂直的温度梯度的环境,并且这种探测属于接触式探测,探测区域有局限性。

气泡尾流是舰船航行时边界层转、螺旋桨的搅动作用形成的含有大量的气泡尤其是微气泡的湍流尾流场。

气泡尾流中存在的气泡的大小、运动状态会发生演化,大气泡易破碎,会迅速上升至海面消失,很小的气泡很快被海水溶解掉,一些微气泡能在尾流的湍流中生存几十分钟,从微气泡的空间分布上看,舰船尾流中微气泡的含量以及气泡的尺度分布有别于海洋背景,这就使得根据尾流气泡探测舰艇
Vol.32,No.12
December,2007
火力与指挥控制
Fire Control and Command Control
第32卷　第12期2007年12月
的某些参数成为可能。

海洋中的气泡探测长期以来采用声波作为探测载体。

但是声波探测的灵敏度、准确度问题一直困扰着研究者。

近年来,随着激光技术的发展,又由于光波的波长远远小于声波的波长,光波对传播介质变化感知的灵敏性强于声波,越来越多的研究者致力于用激光探测气泡尾流,将尾流的光特性用于制导技术。

1　气泡和气泡尾流
1.1　海洋中的气泡
水中大气泡的形状不规则,初始形状虽可以为球形,但气泡上升过程中即将被变形呈现为长轴水平向的椭球形,更大的气泡则在运动中可变为球帽状,其运动路径为螺旋形或“之”字形[2]。

尽管文献对不同直径气泡的形状和路径的描述有差异,但在干净水中,对于小气泡(直径小于1mm)的描述却基本相同,即小气泡近似呈球形,作直线上升运动,上升速度符合Stokes公式[3]。

观测显示[4],干净水中气泡形成后将很快(约二十几秒)达到极限速度,直径为1.95mm气泡的极限速度为0.334m/s。

而应用Stokes公式可计算出半径为50L m的微气泡的极限速度约为0.005 43m/s,若舰船的尾流深度为6.5m,尾流底部的大气泡上升至海面只需约20s而尾流底部的微气泡上升至海面需要二十几分钟的时间,因此能够作为探测尾流的依据的是小气泡。

大多数实验中观察到的海洋中气泡最大半径约为300L m,利用全息技术在海洋中测量的气泡的最小半径为10L m,Kolovay er[5]测量结果表明:海洋中数密度最大的是半径为70L m～80L m左右的小气泡,在1.5m深时可达5×103个/m3。

1.2　气泡尾流的分布与演化
1943年美国海军开始了舰船尾流几何尺寸的研究,实验显示:大多数舰船尾流垂直方向的厚度大约是舰船吃水深度的1.5倍～2倍,尾流的下边界上升到海面相对于水平面的空间斜约为0.1°,在舰船过后0.2min～0.5min时尾流在水面的宽度约为舰船宽度的2倍～3倍,在时间大于0.5min时,尾流边界的扩展角约为1°[6]。

实验观测表明,尾流的持续时间近似为航速的线性函数,尾流的深度与尾流船的航速关系不大。

此外,不同类型舰船尾流的特点不同,例如鱼雷快艇的尾流显示出窄而且紧密的特征。

二战以来,舰船表面气泡两相流研究受到关注,研究者发现,气泡尾流的产生强烈依赖于船体区域附近的两相流。

通过舰船表面气泡两相流和气泡的分解、聚合模型,Car rica[7]具体计算了在舰船表面气泡的产生,给出了FF-1052海军护卫舰(舰长126. 7m,速度27knot)近场尾流中不同位置的气泡数密度、气泡的体积比等数据。

实际观测资料显示尾流区域气泡数密度与海洋背景气泡数密度的不同。

1946年美国国防研究委员会第六局研究了以15kn航速行驶的驱逐舰尾流气泡的分布规律[8],发现半径在几十L m级的气泡要比周围高出1个～2个数量级。

舰船尾流中气泡的分布与周围水体中气泡分布的差异是探测、追踪舰船、乃至研究气泡尾流光制导鱼雷的基础。

2　激光探测气泡尾流
2.1　探测原理
当光束通过光学性质不均匀的物质时,会发生散射现象。

海水中能引起光散射的粒子很多,水分子和各种悬浮颗粒,包括浮游动物、植物、泥沙有机离子等等都会引起光散射。

其整个尺度范围很宽,涉及到几个数量级。

水分子的线度小于光波波长,遵从瑞利散射规律。

线度大于光波波长的大粒子的散射遵从Mie散射规律,其散射光强度随角度的分布变得十分复杂,前向散射的强度超过后向散射,散射过程和波长的依赖关系不密切。

当光束通过含有大量微气泡的水域时,会发生散射现象。

M ar ston[9,10]的研究结果表明气泡的散射符合M ie散射理论。

根据电磁场理论精确求解的M ie散射理论描述了水中各向同性球形气泡光强随散射角的分布情况,强度为I0的平面偏振光入射到半径为R的气泡上时,与气泡中心相距为r处观测到的散射光强为:
I(H,7)=I0
K2
4P2r2
[i1sin27+i2cos27](1) 7为入射光电矢量与观测平面的夹角,H为散射光与入射光方向i
a
间的夹角,i1、i2为强度分布函
数,与气泡的尺度参数A(A=
2P R
K)和相对折射率m 以及散射角H有关。

根据式(1),若已知尺度参数A和相对折射率m,就可以计算出观测平面上任意一处的散射光强;反之,如果实测了夹角H处的散射光强I(H,7),在已知m和K的情况下,同样可以由尺度参数A推算出气泡半径R。

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・ (总第32-1484)火力与指挥控制2007年　第12期
2.2　气泡光散射研究
真实气泡尾流是存在于尾流区域的气泡群,研究气泡群的光散射特性更具有实际意义。

根据M ie 散射理论,在气泡不相干的情况下能计算单个气泡的不同散射方向的散射强度。

Stramski对海洋中气泡群整体光学特性进行了研究,研究了干净气泡的散射本领,在其研究中,气泡的半径分布在10L m～150L m之间,并且气泡密度随半径的分布规律为—4次方幂函数。

结果发现气泡对光在海水中的散射、后向散射的贡献近似可达10%。

但它仅考虑了干净气泡。

海洋中气泡在形成以后会迅速地吸附上有机膜,这些有机膜主要由蛋白质和类脂化合物所组成,附有薄膜气泡引起的散射与干净气泡会有所不同。

后来Zhang[11]在考虑气泡吸附了有机膜后研究气泡的光散射特性,研究了气泡膜的厚度对光散射、光吸收的影响,指出在可见光范围,气泡吸附有机膜后虽对全散射没有明显的影响,但却显著地增强了气泡群的后向散射,并给出计算气泡群光特性的方法,表明微气泡群的后向散射增强非常明显,覆盖有机膜的气泡群的散射效应尤其是后向散射普遍增强。

2.3　激光探测气泡尾流的研究
近年来,随着科学技术的发展,科技手段的提高,许多研究者试图将先进的激光技术、光电探测技术更多地应用于军事科学。

光波通过尾流区域时会发生散射现象,气泡的存在在其中起着至关重要的作用,因而最近几年来,气泡尾流的光特性已成为国内的研究热点。

许多研究者希望能找出光波穿过尾流时的光散射规律,进而通过对散射光的分析,获得气泡尾流乃至舰艇的资料,反演运动舰艇的有用信息。

文献[12]根据M ie散射规律,认为气泡不相干的情况下,计算气泡尾流在不同散射方向的散射强度,得到舰船尾流横截面上气泡群的激光散射特性,计算结果表明气泡群的后向散射增强非常明显;文献[13]认为舰船气泡尾流的消光特性是水下航体跟踪、识别、定位目标的重要参数,因而根据M ie散射规律计算分析了舰船气泡尾流的浊度和消光特性;文献[14]基于M ie散射理论的单个气泡光散射,考虑光的多次散射,用蒙特卡罗方法模拟计算水中气泡群的光散射特性,结果表明光的后向散射随气泡数密度的增加而明显增强,并且在折射率较大的海水中这种增强会更加明显。

在激光探测气泡尾流的实验研究中,从单个气泡对激光散射的影响推导出气泡幕散射光强度随角度的变化规律,将微孔陶瓷管作为尾流气泡模拟器(产生的气泡的直径大约在为100L m～1000L m),进行实验室模拟尾流透射光和前向散射光特性的研究,实验发现激光束通过实验室模拟尾流的透射光信号与无气泡幕时的情况比较有明显的衰减;对舰艇尾流的光特性的进一步研究中,舰艇真实尾流不同几何位置处激光的透射光的测量结果显示,激光束通过真实尾流的透射信号与无尾流时的情况比较有明显的衰减[15],说明了在自然环境下进行气泡尾流光制导的可行性。

3　前景与展望
近年来,随着激光及其探测技术的发展,用光散射法研究各种物质成分成为一种广泛应用的先进的技术手段。

国外已经将光散射的方法应用到大气研究中,通过对接收到的激光散射光数据的分析,研究者能够获取大气中水汽的含量。

而空气中小水滴的光散射与水中小气泡的光散射都遵循M ie散射理论。

因而,气泡尾流的光散射探测中可以借鉴大气水汽探测中许多成功的经验。

目前气泡尾流光制导应用还有许多未解决的问题:¹理论上需要进一步完善气泡尾流结构、内部机理和物理性质,构建气泡尾流的发展演变模型,建立不同类型舰船在不同海域、不同海况条件下的气泡尾流发展演化数据库,这样,在探测到远场气泡微流的数据后就能反演运动舰船的相关资料,达到准确制导的目的。

º单个气泡的散射能用M ie散射理论精确求解,而对气泡群的光散射的特性研究理论上还缺乏理论的指导,不同气泡尺寸、不同气泡数密度、不同海水条件下的气泡群光散射特性还有待研究。

»实验方面还需要寻找适合的光源和研制更精密的微弱光信号的接收装置,并能将其封装入水。

如果这些主要问题得到解决,就可以依据气泡尾流光特性寻求体积小、重量轻、价格低廉,适应现代战争快速、隐蔽需要的光制导鱼雷,以促进现代军事的发展。

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徐麦容,等:激光探测气泡尾流研究(总第32-1485)
的一个节点,可以通过标准的接口随时随地获得军事网格提供的信息和服务。

作战部队1通过身份描述和验证,获得其完成任务所需要的业务服务1,构建其指挥控制系统,这个过程是通过使命能力包1提供的接口发现服务的。

一旦作战部队1完成任务,其作战效果或者产生的信息将通过使命能力包1实时的在网络上共享,随后释放其获得的作战资源供任务X发现调用。

类似地,其他部队的信息也得到实时地网络共享。

使命能力包在模型中是可以被发现的服务实体,而且是不间断运行的,作战部队通过“按需服务”获得这些服务,然后实现使命能力包在通用平台上的“即插即用”。

这种基于使命能力包构建的指控系统,通过实时的网格信息共享,以及灵活的构建模式,很大程度上提高了面向联合作战任务的灵活性。

4　结束语
本文从介绍使命能力包的基础支撑环境开始,提出了面向联合作战任务的使命能力包的概念,并分析了使命能力包面向服务的框架。

然后在介绍和分析使命能力包的思想、技术基础上,提出了一种使命能力包的应用模型,并分析了这种基于使命能力包构建的指挥控制系统的实时性和灵活性。

基于能力和面向服务的思想、相关技术等已经成为网络时代研究战争的热点,由于使命能力包是融合服务的思想,采用基于能力的模式,在军事综合信息系统的建设中有着广阔的发展和应用前景。

对使命能力包在未来联合作战中的应用和实现技术的研究是今后应深入开展的工作。

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