吸收性海水中气泡光散射特性的理论研究
海洋光学固有光学参数及其现场测量方法
海洋光学固有光学参数及其现场测量方法摘要海洋光学固有光学参数主要包括吸收系数、散射系数、衰减系数和体散射函数，这些参数仅取决于海水本身的物理特性，是海洋光学研究的基本参数。
本文主要介绍了固有光学参数以及目前国际海洋光学和海色遥感界最常用的固有光学参数测量方法。
关键词固有光学参数；吸收系数；后向散射系数0 引言自然水体中，不管是淡水还是盐碱水体，都含有溶解物质和粒子物质。
溶解物质和粒子物质的类型和浓度在各种水体中变化很大，这直接影响水体的光学性质。
自然水体的光学特性与生、地、化要素以及物理环境密切相关，因此研究自然水体的光学特性有很重要的意义。
19世纪初海洋研究者开始利用透明度盘目测自然光在海水中的垂直衰减。
19世纪末海洋学家开始注意研究海洋的光学特性，并采用光电方法测量了海洋的辐照度。
20世纪30年代瑞典等国的科学家设计了最初的海洋光学仪器，用以测定海水的光辐射场分布、体积衰减系数和散射系数。
20世纪60年代，Preisendorfer提出了比较系统的海洋光学辐射传递理论，根据海洋中光学特性是否随光场分布变化定义了海洋的固有光学特性和表观光学特性。
本文主要介绍自然水体的固有光学参数以及当前测量固有光学参数最常用的仪器。
1 固有光学参数介绍固有光学参数包括光谱吸收系数、散射系数、衰减系数和体散射函数等。
影响海水固有光学参数的海水组分主要包括：纯海水、悬浮颗粒物和有色可溶有机物（CDOM）。
水体总吸收系数与总散射系数分别为海水各组分吸收系数与各组分散射系数之和[3，6]。
其中，表示水体总吸收系数，分别表示纯水、浮游植物叶绿素、非色素悬浮颗粒物、有色可溶有机物的吸收系数；表示水体总散射系数，分别表示纯水和悬浮颗粒物的散射系数；为总后向散射系数，分别表示纯水和悬浮颗粒物后向散射的比例系数。
2 测量固有光学参数的仪器2.1 ac-s高光谱吸收衰减测量仪固有光学参数中的吸收系数a和衰减系数c可以由美国WET Labs 公司生产的ac-s高光谱吸收衰减仪[7]测量，该仪器是目前国际海洋光学和海色遥感界公认的吸收系数和衰减系数现场测量标准仪器。
光在海水中的衰减系数
光在海水中的衰减系数
光在海水中的衰减系数是指光线在海水中传播时，由于海水的吸收、散射和反射等因素而逐渐减弱的程度。
这个系数对于海洋科学、海洋工程和海洋资源开发等领域都有着重要的意义。
海水中的光线主要受到三种因素的影响：吸收、散射和反射。
其中，吸收是最主要的因素。
海水中的水分子、盐离子、有机物质和悬浮颗粒等都会吸收光线，使其逐渐减弱。
不同波长的光线在海水中的吸收程度也不同，红色光线被吸收得最快，紫色光线被吸收得最慢。
散射是指光线在海水中遇到颗粒或气泡等物质时，发生方向改变的现象。
散射会使光线在传播过程中发生偏转，从而影响其传播距离和强度。
反射是指光线在海水表面遇到空气时，发生反射的现象。
反射会使光线在传播过程中发生反向，从而影响其传播距离和强度。
光在海水中的衰减系数与海水的透明度密切相关。
透明度是指海水中光线传播的距离，通常用透明度系数来表示。
透明度系数越大，海水中的光线传播距离就越远，衰减系数就越小。
海水中的光线衰减系数对于海洋科学、海洋工程和海洋资源开发等领域都有着重要的意义。
在海洋科学中，光线衰减系数可以用来研究海水中的生物、化学和物理过程。
在海洋工程中，光线衰减系数可以用来设计海洋观测设备和水下通信系统。
在海洋资源开发中，
光线衰减系数可以用来评估海水中的光照条件，从而确定适宜的养殖和捕捞区域。
光在海水中的衰减系数是海洋科学、海洋工程和海洋资源开发等领域中的重要参数，对于深入了解海洋环境和开发利用海洋资源都有着重要的意义。
海洋光学ocean optics原理
海洋光学（Ocean Optics）是研究海洋中光的传播、相互作用和应用的一门学科。
它涉及到海水中光的吸收、散射、透射等多种光学现象，对于认识海洋的光学特性和开发海洋光学仪器具有重要意义。
本文将介绍海洋光学的原理，包括海水中光的传播规律、海水的吸收和散射特性，以及海洋光学在海洋科学和环境监测中的应用。
一、海水中光的传播规律海水是一种具有吸收、散射和透射能力的介质，其光学性质主要受水体成分和悬浮物的影响。
在海水中，光的传播受到多种因素的影响，包括入射光的波长、水质、水深等。
光在海水中的传播过程可以用光传播的基本原理来解释和描述，其核心是光的吸收、散射和透射。
1. 光的吸收：海水中的吸收主要是由水分子和溶解态和颗粒态有机物质引起的。
在可见光波段，蓝色光比红色光在海水中更容易被吸收，这也是海水呈现出蓝色的原因之一。
2. 光的散射：海水中的散射主要是由溶解和悬浮的微粒引起的。
根据散射光的波长和传播方向的不同，可以将海水中的散射分为瑞利散射、米氏散射和非选择性散射等不同类型。
3. 光的透射：海水对光的透射影响受到吸收和散射的共同作用，当光在海水中传播时，会发生吸收和散射现象，导致光强度逐渐减弱，直至最终衰减至无穷小。
二、海水的吸收和散射特性海水中的吸收和散射特性是海洋光学研究的重点之一。
海水中的吸收和散射过程不仅受到水质、水温、盐度等因素的影响，还受到气候、地理、季节等多种因素的影响。
1. 水质的影响：海水中悬浮物的浓度和颗粒的大小对光的吸收和散射起着重要作用。
一般来说，海水中悬浮物含量越高，光的吸收和散射就越明显。
2. 水温和盐度的影响：水温和盐度对海水的光学性质有一定影响，其中水温会影响到海水的折射率，而盐度对海水的透射性能产生一定的影响。
3. 天气和地理的影响：天气和地理因素也对海水的光学特性有一定影响，例如气候条件的变化、水深的不同，都会影响到海水的光学性质。
三、海洋光学在海洋科学和环境监测中的应用海洋光学的研究成果在海洋科学和环境监测领域有着广泛的应用，主要体现在以下几个方面：1. 海洋物理学研究：海洋光学技术可以用于测量海水的透明度、悬浮物浓度、叶绿素浓度等参数，为海洋物理学的研究提供了重要的数据支持。
水中气泡激光后向散射衰减特性研究
ｌｔｄ ｂ ｈ ａ ｅ － ｅ ｒｌｗ ｎ ｒ ａ ｕ ｅ ｙ ｔ ｅ ｌｓ ｒｐ ｗｅ ｔｒ ｈ ｅ ｕ ｔ ｆ ｍ ａａ ｉ ｄ ｃ ｔｄ ｔ ａ ｅ ａ ｅ ｙ ｔ ｅ Ｌ ｍｂ ｒ Ｂ ｅ ａ ａ ｄ ｗｅ ｅ ｍｅ ｓ ｒ ｄ ｂ ａ ｅ ｔ ｈ ｏ ｒｍｅｅ ．Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｏ ｄ ｔ ｉ技 术与应 用 ・ 激
水 中气 泡 激 光后 向散 射 衰 减特 性 研 究
马 治 国 ， 江安 石晟玮 王 ，
（． １海军工程大学电子工程学 院， 湖北 武汉 ４ ０ ３ ；． ３ ０ ３２ 海军工程大学兵器工程系 ， 湖北 武汉 ４ ０ ３ ） ３ ０ ３
摘
要： 采用 Ｌ ｍ ｅｔ ｅｒ ａ ｂ ｒ Ｂ ｅ 定律 对水 中气 泡后 向散射光 功 率进 行理 论分 析 ， ． 并采用 激 光功 率计
ｐｏ ｒｏ ａ ｋ－ｃ ｔｅ ｎｇｌｇ ｔｗａ ｎｈ ｎ ｅ ｕｅｔ ｂ ｌ ｓ， ｕ ｔｉ ｔｌ ｖ ｒ ｅ ｂｅ． ｅｐｏ ｒｒ ｌｔ ｄｔ ｈｅｄ ｓａ ｅ ｗｅ ｆｂ ｃ ｓ ａｔｒ ｉｈ ｓｅ ａ ｃ ｄ ｄ ｏｂｕ ｂ ｅ ｂ ｔｉ ｓｓｉｌ ｅ ｙｆ ｅ ｌ Ｔｈ ｗｅ ｅ ａｅ ｏ ｔ ｉｔｎｃ ｉ
ｂ ｔ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｔｃｏ ｎ ｅｂ ｂ ｌ ｆ ｍ ａ ｅｃ ｌ ｕａ ｅ ｙ ｔ ｅ Ｌ ｍｂ ｒ Ｂｅ ｒｌｗ． ｈ ｏ ｒ ｓｒ ｌｔｄ ｔ ｅｄ ｎ ｅｗ ｅ ｈ ｅ ｅ ｔｒａ ｄ ｔ ｕ ｂ ｅ ｉ ｃ ｎ ｂ ａ ｃ ｌｔｄ ｂ ｈ ｌ ｈ ａ ｅ — ｅ ｔ ａ Ｔ ｅ ｐ ｗｅ ｅａ ｅ ｏ ｔ ｅ － ｉ ｈ ｓ ｙ ｏ ｕ ｂ ｅ ． ｉ ｆｂ ｂ ｌ ｓ ｔ Ｋｅ ｒ ｓ ｂ ｂ ｅ ｌ ｈ ｃ ｔ ｒｎ ； ｅ ｌ ｈ ｃ ｔ ｒ ｇ ｌ ｈ ｏ ｅ ｙ ｗｏ ｄ ： ｕ ｌ ； ｇ ｔｓ ａｔｉ ｇ Ｍｉ ｉ ｔ ａ ｔｉ ； ｇ ｔｐ ｗ ｒ ｂ ｉ ｅ ｇ ｓ ｅｎ ｉ
舰船尾流气泡目标激光后向散射特性研究
文章编号 2097-1842（2023）06-1333-10舰船尾流气泡目标激光后向散射特性研究宗思光1，张 鑫2 *，杨劭鹏1，段子科1，陈 报1（1. 海军工程大学 电子工程学院, 湖北 武汉 430034；2. 海军航空大学 青岛校区, 山东 青岛 266041）摘要：为了提高激光光尾流制导距离和探测信噪比，研究不同距离、不同气泡尺度、不同气泡数密度和不同气泡层厚度的气泡目标的后向散射特性具有重要的理论和应用价值。
采用蒙特卡洛仿真和室内实验研究了前述舰船尾流气泡目标的激光后向散射特性。
结果表明：近距离的气泡要比远距离的气泡更容易被检测到；在气泡数密度为102~108 m −3，气泡层厚度大于0.05 m 时，大尺度和小尺度气泡始终存在回波信号，气泡层厚度小于0.05 m 时无回波信号，此时，气泡层厚度特性对气泡后向散射的影响最大；在气泡数密度为109 m −3，气泡层厚度为0.05 m 以下时，大尺度气泡回波信号脉冲宽度会展宽。
在这种情况下，气泡数密度和尺度特性对气泡后向散射的影响最大。
搭建了水下典型气泡尺度下的激光后向散射测量系统，验证了不同舰船尾流气泡目标特性对激光后向探测系统的影响。
本文研究成果可为舰船尾流激光探测工程提供支撑。
关 键 词：舰船尾流；蒙特卡洛；后向散射；目标特性中图分类号：TN249 文献标志码：A doi ：10.37188/CO.2023-0043Laser backscattering characteristics of ship wake bubble targetZONG Si-guang 1，ZHANG Xin 2 *，YANG Shao-peng 1，DUAN Zi-ke 1，CHEN Bao 1（1. College of Electronic Engineering , Naval University of Engineering , Wuhan 430034, China ；2. Qingdao Branch , Naval Aeronautical University , Qingdao 266041, China ）* Corresponding author ，E-mail : 1714308601@Abstract : In order to improve the laser wake guidance distance and the detection signal-to-noise ratio, it is of great theoretical and practical value to study the backscattering characteristics of bubble targets with differ-ent distances, bubble sizes, bubble number densities, and bubble layer thicknesses. The laser backscattering characteristics of ship wake bubble targets with different distances, scales, numerical densities, and thick-nesses are studied using Monte Carlo simulations and indoor experiments. When the bubble density is 102−108 m −3 and the thickness of the bubble layer is greater than 0.05 m, there is always an echo signal for both large- and small-scale bubbles. When the thickness of the bubble layer is less than 0.05 m, no echo sig-nal is detected. At this situation, the thickness of the bubble layer is the greatest impact factor on the back-ward scattering of bubbles. When the bubble number density is 109 m −3 and the thickness of the bubble layer is below 0.05 m, the pulse width of the large-scale bubble echo signal widens. The number density and scale收稿日期：2023-03-13；修订日期：2023-05-15基金项目：国防科研基金（No. 2019-JCJQ-JJ-056)Supported by the National Defense Foundation of China （No. 2019-JCJQ-JJ-056)第 16 卷 第 6 期中国光学（中英文）Vol. 16 No. 62023年11月Chinese OpticsNov. 2023characteristics of the bubbles have the greatest impact on the backscattering of bubbles. A laser backscatter-ing measurement system at the scale of typical underwater bubbles is built to verify the influence of different ship wake bubble characteristics on the laser backscattering detection system, which can provide support for the ship wake laser detection project.Key words: ship wake；Monte Carlo；backscattering；target characteristics1 引 言为了适应新时代的战争需求，响应科技强军号召，用先进的科学手段，自动化、智能化、高效化探测跟踪舰船变得至关重要。
水对光的散射
水对光的散射
水对光的散射是指当光线照射到水中时，由于水分子与光的相互作用，光线在水中发生方向变化并传播的现象。
水对光的散射主要包括两种类型：弹性散射和非弹性散射。
1.弹性散射：弹性散射是指光线穿过水中时，与水分子碰撞后改变传播方向，但光子的能量和频率保持不变。
这种散射现象是由于水分子的体积小于光波长，导致光线受到分子的微小扰动而改变传播方向。
这种散射导致水中的光呈现出蓝色色调，因为波长较短的蓝光在散射过程中更容易偏离原来的传播方向。
2. 非弹性散射：非弹性散射是指光线与水分子碰撞后，光子的能量和频率发生变化的散射现象。
这种散射通常发生在光的能量与水分子相互作用时，水分子会吸收一部分能量并转化为热量。
非弹性散射通常在较高的光能量（如紫外光）下发生，对肉眼不易观察。
水对光的散射是导致水中透明度降低的主要原因之一。
当水中溶解有悬浮物质或悬浮微粒时，这些微粒会散射光线，使得水呈现浑浊的外观。
此外，水中的气泡、气体或其他杂质也会导致光的散射现象。
在海洋环境中，水对光的散射对于水下光的传播和可见性具有重要影响。
散射使得远离光源的区域变得暗淡，影响人眼在水中的视觉感知能力。
同时，散射还对水下光合作用、生物光信号传递等生态过程产生重要影响。
水对光的散射是光线在水中遇到水分子时所发生的方向变化和能量改变的现象，这对水的透明度和水下生态过程具有重要影响。
光在水中的散射和吸收规律
光在水中的散射和吸收规律光在水中传播时，会发生散射和吸收现象。
这些现象是由光与水分子相互作用所引起的。
散射是指光线在传播过程中被水分子所散射，改变原来的传播方向。
吸收是指光线在传播过程中被水分子所吸收，转化为其他形式的能量。
我们来看光在水中的散射现象。
当光线射入水中时，会与水分子相互作用，使得光线的传播方向发生改变。
这是因为光线与水分子发生碰撞后，会被分子的电场力所作用，使光线发生偏转。
散射现象导致了光线的传播方向不再是直线传播，而是呈现出随机分布的状态。
这也是为什么在水中观察远处物体时，会出现模糊不清的现象。
光在水中的吸收现象也是十分重要的。
当光线穿过水体时，会与水分子相互作用，一部分光能被水分子吸收。
这是因为水分子的电子结构与光的能量水平相匹配，使得光能被水分子吸收。
吸收的光能会被转化为分子的内部能量，导致水分子的振动、转动或电子激发等。
这也是为什么水中的光线会逐渐减弱，直至消失的原因。
光在水中的散射和吸收规律也与光的波长有关。
根据斯托克斯散射定律，光在水中的散射程度与光的波长呈反比关系。
也就是说，波长较短的光会更容易被散射。
这就解释了为什么在水中，蓝色光的散射比红色光的散射更为明显。
另外，根据光的吸收规律，不同波长的光在水中的吸收程度也不同。
在可见光范围内，红光的吸收最弱，而紫光的吸收最强。
光在水中的散射和吸收现象也与水的浑浊度有关。
浑浊度越高的水，其中的杂质颗粒越多，会对光的传播产生更大的干扰，使散射现象更明显。
这也是为什么在浑浊的水中，看起来物体更加模糊不清的原因。
总结起来，光在水中的散射和吸收规律是由光与水分子相互作用所导致的。
散射使光线的传播方向发生改变，吸收使光能被转化为其他形式的能量。
这些规律与光的波长和水的浑浊度有关。
深入了解光在水中的散射和吸收规律，对于水体的光学性质的研究和应用具有重要意义。
吸收性海水中气泡光散射特性的理论研究
海 水 中波 的破碎 以及 鱼群 和舰船 等 物体 的运动 都会产 生大量 的气 泡 。气 泡的存 在严重 影响 了光在水 中的 传 播特 性 ， 泡 的光 散射对 水下 目标 的探 测 以及遥感 技术 的应用 具有 重要 的作 用 ， 气泡光 学特性 的研究 起步 气 但
射、 布儒 斯特 角 （０ ． ｏ散 射 和辉 光 （ ８ 。散 射 以及 脏气 泡 的 临界 角 散 射 ］ ｔａ ｓ ｉ １ ９ １６ ２） １ ０） 。Ｓｒｍｉ 于 ９ ４年应 用 Ｍｉ ｋ ｅ
理 论首 先研究 了海水 中半径 在 １ ～ １ ０ ｍ 内干净 气 泡群 的散射 和后 向散射 系数Ｌ ， Ｏ ５ ６ 发现 这些 气 泡 对 海水 后 ］ 向散射 的贡 献可达 ｌ 。Ｚ ａ ｇ应 用 Ｍｉ 理 论研 究 了脏 气 泡群 的 散 射 和后 向散射 系 数 以及 体散 射 函数 ］ Ｏ ｈｎ ｅ 。 最近 ， 又有关 于利用 光线 跟踪法 研究气 泡 介质 散射光 的强 度 和偏 振特 性 以及 利 用多 层蒙 特 卡罗 方 法模 拟水 下 气泡群 后 向散射信号 的报道 Ｌ 。 ｓ 。 Ｓ ｒｍｉ ｉ 研究 了干净气 泡 的光散 射 特 性Ｌ ， ｈ ｎ ｔａ ｓ 仅 ｋ ６ Ｚ ａ ｇ虽然 将 重 点 放 在 了脏气 泡 上Ｌ ， ］ ７ 但他 们 都 将 海水 当 ］ 作 非 吸收性 介质来考 虑 。实际上 ， 海水 是 一种 吸收性 介质 ， 海水对 光 的 吸收会 影响到 气泡 的光散射 。本 文利用
当气 泡半 径较大 时 ， 和 可 能会 超过 计算 机 的处 理字 长 ， 计算 结果 溢 出 。为此 ， 使 我们 引 进两 个新 的函
数 ［－］ １１ ２ ３
水下气泡幕激光后向散射功率衰减特性实验研究
１ 引言
舰 船在航 行过程 中产生 了大 量 的气泡 ， 在很 并
长时 间 内存在 Ｌ 。由于气 泡 的存 在 ， 水 的光学 ｌ ｑ］ 海 特性 与无 气 泡 时会 有显 著 的 区别 ［ 。这 就 为 通 ４ ｊ
性 和散射特 性等 。 目前 ， 对气 泡幕激 光 散射 特性 尤 其是后 向散 射特性 的研究 相对 较少 ， 文重 点对 此 本 进行 研究 。影响 气 泡幕 激 光 后 向散射 特 性 的 因 素
总第 ２ ０期 ５ ２１ 第 ８ ００年 期
计 算 机 与 数 字工 程
Ｃｏ ｕ ｅ ｍｐ ｔｒ＆ Ｄｉｉ ｌＥ ｇｎ ｅ ｉｇ ｇｔ ｎ ｉｅ ｒｎ ａ
Ｖｏ ． ８ Ｎｏ ８ １３ ．
１２ ８
水 下气 泡 幕 激 光 后 向 散 射 功 率 衰 减 特 性 实 验 研 究
Ｚｈ ｎ ｉ ｎ ｗｅ ’ ａ ｇＪ ａ ｇ ｉ Ｙａ ｇ Ｋｕ ｔ ｏ ’ ｎ ｎａ Ｍ ａ Ｚｈ ｇ ｏ ｉｕ ２
（ ａｈ ｎ ｉｅｓｔ ｆ ｃ ｎ ｅａ ｄＴ ｃｎ ｌｇ Ｈｕ ｚ ｏ ｇＵｎｖ ｒｉ ｏ ｉ ｃ ｎ ｅｈ ｏｏ ｙ”，Ｗ ｕ ａ ４ ０ ７ ） Ｎａ ａ Ｕｎｖｒｉ ｆＥ ｇｎ ｅｉ ｅ，Ｗ ｕ ａ ４ ０ ３ ） ｙ Ｓ ｅ ｈｎ ３ ０ ４ （ ｖ ｌ ｉ ｅｓ ｙｏ ｎ ｉｅ ｒ ｇ ｔ ｎ ｈ ｎ ３ ０ ３
关键 词
散射 ；衰减 ；功率 ；气泡 Ｔ Nhomakorabea１ Ｎ２ ６
中 图分 类 号
Ｅｘ ｒｍ ｅ ｔ ｔ ｙ ｏ ｗ ｅ ｔ ｎｕ ｔｏ ｏ ｅ ｔｅ ｐｅ ｉ ｎ ａｌＳ ｕｄ ｆ Ｐｏ ｒ Ａｔ ｅ ａ ｉ ｎ Ｐｒ ｐ ｒ ｉ ｓ ｏ ｃ ｓ ａ ｔ ｒｎｇ Ｌａ ｅ ｒ ｍ ｂ ｌ ｌ ｎ Ｗ ａ ｅ ｆＢａ ｋ－ ｃ ｔ ｅ ｉ ｓ ｒ ｆ ｏ Ｂｕ ｂ ｅ Ｆｉｍ ｉ ｔｒ
纯海水的吸收系数散射系数
纯海水的吸收系数散射系数一、引言海洋是地球上最广阔的生态系统之一，其中的光学特性对于海洋环境的研究和应用具有重要意义。
纯海水的吸收系数和散射系数是海洋光学研究中的重要参数，本文将对其进行详细介绍。
二、纯海水的吸收系数1. 吸收过程简介光在海水中传播时，会受到多种因素的影响而发生吸收。
其中最主要的因素是水分子、盐度、温度和溶解有机物等。
由于这些因素在不同深度和地区存在差异，因此吸收系数也会随之变化。
2. 影响吸收系数的因素（1）波长：不同波长的光在海水中的吸收程度不同。
红色光波长较长，能够穿透更深的水层，而蓝色光波长较短，容易被吸收。
（2）盐度：盐度越高，海水中溶解物质越多，吸收系数也就越大。
（3）温度：温度升高会导致海水中溶解气体减少，并且有机物质的分解速度会加快，这些因素都会增加吸收系数。
3. 吸收系数的计算方法吸收系数通常用下式表示：a(λ) = log(I_0(λ)/I(λ))/l其中，a(λ)表示波长为λ时的吸收系数，I_0(λ)和I(λ)分别是入射和透过海水后的光强度，l是海水层的厚度。
4. 吸收系数的实验测量实验测量吸收系数通常采用分光光度法或激光吸收法。
分光光度法是将不同波长的单色光依次通过样品，然后测量透射率得到吸收系数；激光吸收法则是利用激光束穿过样品，在接受端测量透过激光束后剩余的能量得到吸收系数。
三、纯海水的散射系数1. 散射过程简介海水中除了发生吸收外，还会发生散射。
散射是指入射光在物质中遇到粒子而改变方向并扩散出去的现象。
在海洋环境中，主要发生雷利散射和米氏散射。
2. 影响散射系数的因素（1）波长：波长越短，散射系数越大。
（2）粒子浓度：粒子浓度越高，散射系数也就越大。
（3）角度：不同角度下的散射系数也会有所不同。
3. 散射系数的计算方法散射系数通常用下式表示：b(λ) = (dI_s(λ)/ds)/(I_i(λ)P(θ))其中，b(λ)表示波长为λ时的散射系数，I_s(λ)表示在方向θ上的散射辐亮度，I_i(λ)表示入射辐亮度，P(θ)是相对应角度处单位面积扇形立体角。
水中气泡光学特性的蒙特卡罗模拟
第３ ６卷 第 ５期
２Ｏ Ｏ６年 ５月
激 光 与 红 外
Ｌ Ｓ Ｒ ＆ Ｉ ＲＡＲＥＤ Ａ Ｅ ＮＦ
Ｖ０． ６ห้องสมุดไป่ตู้ ． １ ３ Ｎｏ ５
Ｍａ ， ０ ６ ｙ２０
文章编号 ：０ １５ ７ （０ ６ ０ －３ ２０ １０ －０８ ２０ ）５０ ９ － ４
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水体的光谱特征
水体的光谱特征水体的光谱特征指的是水在不同波长下对光的吸收、散射和透射的特性。
水是一种广泛存在于地球表面的物质，对于地球水文循环、环境保护和水资源的研究非常重要。
以下将从水的透明度、吸收特性和散射特性三个方面探讨水体的光谱特征。
首先，水的透明度是指水体对不同波长的光线透过程度。
可见光波长范围为380-780纳米，而水体在该范围内的透明度相对较高，特别是在蓝绿光谱范围内透明度最高。
这也是为什么水体呈现出蓝绿色的原因。
水的透明度还会受到水中悬浮物质和溶解物质的影响。
当水中存在大量悬浮物质时，如泥沙、藻类等，会使水体的透明度下降，进而影响光线的穿透。
其次，水对光的吸收特性是指水分子吸收各种波长的光的能力。
水分子主要吸收近红外光和红外光，而对于可见光，水的吸收较小。
具体来说，水分子在900纳米以下会吸收掉几乎所有的光线，这个波段被称为"水窗口"。
而在可见光范围内，水分子吸收主要发生在红光和蓝光波段，吸收波峰分别在500纳米和700纳米左右。
这也是为什么大部分湖泊和海洋呈现出蓝绿色的原因。
最后，水对光的散射特性是指光线在水体中发生反射和散射的过程。
水的散射主要包括斯托克斯散射和非弹性散射。
斯托克斯散射是指光线由微小颗粒或气泡等物体所散射，使得光线的方向改变，颜色变暗。
非弹性散射是指光线在水分子中被散射，形成散开的光谱和蓝色偏移。
散射会增强水体的反射性，使得水体呈现混浊和不透明的特征。
总结起来，水体的光谱特征包括透明度高、对红光和蓝光的吸收能力较强和散射性较高等特点。
这些特征对于水资源的保护和环境监测具有重要意义，也为水体的遥感和光学测量提供了基础。
进一步了解和研究水体的光谱特征，有助于我们更好地认识和利用水资源，保护环境。
气泡浓度对海洋激光雷达后向散射特性的影响
ｂａ ｋｓ ａ ｔ ｒｎｇ ｐ ｏｐ ｒ ｙ ｏ ｕｎ ｒ ｔ ｒ ｂｕｂ ｅ ｌ ｙ ｒ ｗｉｈ ｄｉｆ ｒ ｎｔ ｃ ｎｃ ｎｔ ａ ｉ ｃ ｃ ｔｅ ｉ ｒ ｅ ｔ ｆ ｄｅ ｗａ ｅ ｂｌ ａ ｅ ｓ ｔ ｆ ｅ ｅ ｏ ｅ ｒ ｔｏｎ． Ｔｈｅ ｅ ｐｅ ｉ ｎｔ ｌ ａ ａ ｈｏ ｘ ｒｍｅ ａ ｄ ｔ ｓ ｗ ｔ ｔ ｈｅ ｅ ｒ ｔ ｓｇ ｌ ａ ｃ ｕｓ ｄ ｙ ｔ ｂｕ ｌ ｓ ａ ｔ ｒｎ ｈａ ｔ ｒ ａ ｅ ｈｅ ｉ ｎａ ｐｅ ｋｓ ａ ｅ ｂ ｈｅ ｂｂ ｅ ｃ ｔ ｅ ｉ ｇ， ｉ ｎ ａ ｄｉｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ａ ｅ ｋ ｃ ｕ ｅ ｈ ｔ ｒ ｂａ ｋｓ ａ ｔ ｒｎ ｎ ｔ ｅ ｕ ｎ ｗａ ｅ ｃ ｒ ｓ ｏ ｈｅ ｄ ｔｏ ｏ ｔ ｅ ｓｇｎ ｌｐ ａ ａ ｓ ｄ ｂｙ ｔ ｅ ｗａ ｅ ｃ ｃ ｔｅ ｉ ｇ ｉ ｈｅ ｒ ｔ ｒ ｖ ｕ ｖｅ ｆｔ ｕｎ ｒ ｔ ｒ ｂ ｃ ｓ ａ ｔ ｒｎｇ ｓｇ ｌ ｒ ｄｕｃ ｄ ｂｙ ｌ ｒ Ｔｈｅ ｓ ａｔｅ ｉ ｇ ｐ ａ ｒ ｖｅ ｌ ｉ ｈｅ ｄｅ ｗａ ｅ ａ ｋ ｃ ｔ ｅ ｉ ｉ ｎａ ｓ ｐ ｏ ｅ ｉ ． ｄａ ｃ ｔ ｒｎ ｅ ｋｓ ａ ｅ ｏ ｒ ａｎ ｏｎ ｔ ｂ ｃ ｓ ａ ｔ ｒｎｇ ｓｇ ｌｐ ａ ｆ ｔ ａ ｋ ｃ ｔ ｅ ｉ ｉ ｎａ ｅ ｋｓ ｏ ｈｅ ｗａｔ ｒ，ｔ ｏ ａ ｉ ｎ ｉ ｉｅ ｔｙ ｒ ｌ ｔ ｄ ｔ ｈｅ ｌ ｃ ｔｏ ｆ ｔ ｅ ｈｅ ｌ ｏ ｔｏ ｓ ｄ ｒ ｃ ｌ ｅ ａ ｅ ｏ ｔ ｏ ａ ｉ ｎ ｏ ｈｅ ｕ ｅ ｗａ ｅ ｂ ｎｄ ｒ ｔ ｒ ｕｂｂ ｅ ａ ｒ ｌ ｌ ｙｅ ｓ， ａ ｉｓ ｍｐｌｔ ｄｅ ｓ ｆ ｅ ｔ ｄ ｎｄ ｔ ａ ｉｕ ｉ ａ ｆ ｃ ｅ ｂｙ ｈ ｃ ｎｃ ｎ ｒ ｔｏ ｏｆ ｈｅ ｔ ｅ ｏ ｅ ｔ ａ ｉ ｎ ｔ ｂｕ ｂｂｌ ｅ ｌ ｙ ｒ ． ｔ ｃ ｎ ｂ ｏ ｌ ｅ ｒ ｍ ｈｅ ｅ ｃ ｒ ｅ ｈａ ｈｅ ｅ ｉ ｅ ｏ ｃ ｃ ｔｅ ｉ ｅ ｋ ｉ ｈｅ ａ ｅ ｓ Ｉ ａ ｅ ｃ ｎｃｕｄ ｄ ｆ ｏ ｔ ｓ ｕ ｖ ｓ ｔ ｔｔ ｒ ｓ ａ ｓ ｃ ｎｄ ｂａ ｋｓ ａ ｔ ｒｎｇ ｐ ａ ｎ ｔ ｔ ｔ ｌ ａ ｋ ｃ ｔｅ ｉ ｉ ｎａ ｕ ｖｅ ａｕ ｅ ｂ ｏ ａ ｂ ｃ ｓ ａ ｔ ｒｎｇ ｓｇ ｌｃ ｒ ｓ ｃ ｓ ｄ ｂｙ ｕｂｂ ｅ ｌ ｙ ｒ ｕｎ ｒ ｔ ｒ Ｔｈｅ ｒ ｔ ｒ ｔｍ ｅ ｆ ｔ ｅ ｌ ａ ｅ ｄｅ ｗａ ｅ ． ｅ ｕ ｎ ｉ ｏ ｈ ｓ ｃ ｄ ｐｅ ｋ ｉ ｒ ｌ ｔ ｄ ｔ ｈｅ ｄ ｓ ａ ｅ ｅ ｗｅ ｎ ｄ ｔ ｃ ｏ ｎ ｅ ｏｎ ａ ｓ ｅ ａ ｅ ｏ ｔ ｉ ｔ ｎｃ ｂ ｔ ｅ ｅ ｅ ｔ ｒ ａ ｄ ｂｕｂ ｅ ｌ ｙ ｒ Ｔｈｅ ａ ｋｓ ａ ｔ ｒｎｇ ｂｌ ａ ｅ ． ｂ ｃ ｃ ｔ ｅ ｉ ｓｇ ｌ ｎ ｒ ａ ｅ ｗｉｈ ｔ ｏ ｃ ｎ ｒ ｔｏ ｉ ｒ ａ ｅ ｆ ｈｅ ｕｂｂ ｅ ａ ｅ ｉ ｎａ ｉ ｃ ｅ ｓ ｓ ｔ ｈｅ ｃ ｎ ｅ ｔ ａ ｉ ｎ ｎｃ ｅ ｓ ｏ ｔ ｂ ｌ ｌ ｙ ｒ，ｗｈｉｈ ｃ ｗａ ｅ ｉ ｔ ｄ ｂｙ ｓ ｐｒ ｄ ｃ ｅ ｔ ｅ ｒ ｔｃ ｌａ ａ ｙｓｓ Ｔｈｅ ｖ ｒａ ｉ ｒ ｎ ｆ ｔ ｂ ｃ ｓ ａ ｔ ｒｎ ｉ ａ ｉ ａｎｌ ｆｅ ｔ ｄ ｂ ｈ ｈ ｏ ｅ ｉａ ｎ ｌ ｉ ． ａ ｉ ｔｏｎ ｔ ｅ ｄ ｏ ｈｅ ａ ｋ ｃ ｔ ｅ ｉ ｇ ｓｇｎ ｌ ｓ ｍ ｉ ｙ ａ ｆ ｃ ｅ ｙ ｔ ｅ
指印、液痕以及溶液中气泡对分光度测量结果的影响及原因
完成日期：2011 年 11 月 26 日 作者：古欣郑旭辉李雅颂张金阳 所在学院：生命科学学院 一、摘要 本次实验中使用了 Spectrum722 型分光光度计， 该仪器对操作规范性的要求很高，许多 不当的操作都会导致数值上很大的偏差。 在用 Spectrum722 型分光光度计测溶液的吸光度时， 如果比色皿的光面有指印或液痕， 比色皿的溶液中有气泡， 会对最终测得的吸光度造成一定 的影响，本文将讨论这些因素对测量结果的影响及其产生的原因。 二、前言 分光光度计的工作原理是 Lambert-Beer 定律，即一束单色光通过有色溶液时，有色溶 液的西广度与溶液的浓度及溶液层的厚度成正比，写成公式即为：A=Ɛcl,其中 c 为溶液的浓 度，l 为溶液层的厚度，Ɛ 为吸光系数，其数值取决于入射光的波长以及吸光物质的性质， 因此当入射光的波长一定时，某一吸光物质的 Ɛ 就是确定下来的。由此可以看出，当溶液的 厚度一定时，吸光度就和溶液的浓度成正比。因此，我们可以利用分光光度计测得一系列标 准溶液的吸光度，再根据测得的数值作出 A-C 工作曲线，并测出未知液的吸光度，进而即可 求出未知液浓度。 但在实际操作中， 由于操作着操作不规范等原因， 可能会出现比色皿光面有指印或液痕， 比色皿溶液中有气泡等情况，由于发生散射、折射等一系列光学现象，再加上某些物质会影 响透光率， 因而会使得测量结果与真实值有较大偏差。 但这些因素究竟会带来怎样的影响呢？ 我们讨论了这一问题及起产生的原因， 明确这些则能够让我们在将来做实验时更加明白规范 操作的重要性，提高实验操作的准确性，得到准确可信的数据。 三、内容 1、 比色皿光面的指印、液痕以及比色皿溶液中气泡的位置问题 对于这一问题，可以分两种情况进行讨论。 若比色皿光面的指印、液痕以及比色皿溶液中气泡没有出现在透射光路中，那么对测量 结果就不会造成影响。 若比色皿光面的指印、 液痕以及比色皿溶液中气泡出现在了透射光路中， 那么就会对测 量结果产生影响，具体如何影响将在下文中细说。 2、 比色皿光面的指印 1）比色皿光面出现指印的原因是：拿取比色皿时，手指应该拿取毛面而非光面，但由于 操作不规范，没有注意到这个问题，手指就接触到比色皿的光面并留下了指印，再加上后来 用镜头纸擦拭不够细致，未将指印完全擦去，导致仍有部分指引残留于光面。 2)光面上的指印对测量结果造成的影响：指印的化学成分是复杂的，其中含有较多汗水以 及一些固体物质，如蛋白质、氨基酸、脂类等，以及一些灰尘颗粒、污物，这些物质都有着 较强的反射与散射作用，附着于比色皿光面透射光路通过处，导致透过光强度降低，又因为 A=lg
水中气泡的特性研究_张建生
水中气泡的特性研究张建生1,孙传东2,卢笛2(1.西安工业学院数理系,陕西西安710032;2.中国科学院西安光学精密机械研究所)摘 要: 概述了水中气泡的密度与从水面算起的深度、水面的风速之间的关系;给出了一般情况下的小气泡、中等气泡、大气泡的运动规律;并阐述了气泡的光散射特性以及一种计算光学特性的简单方法.文中详细阐述了利用光学方法来研究气泡所需涉及的问题,为气泡的光学特性研究指明了方向.通过对水中气泡进行高速摄影,所拍气泡图像清晰明辨;进一步对图像的分析表明气泡运动速度与理论计算结果是一致的.据此我们认为采用光学方法研究尾流气泡并且依此对目标进行跟踪是完全可行的.关键词: 气泡;气泡密度;末速度;光学特性;高速摄影中图号: T V 131.32 文献标识码: A 文章编号: 1000-5714(2000)01-0001-08Air bu bbles in waterZHANG Jian -sheng 1,SU N Chuan -dong 2,LU Di 2(1.Dept of M athematics &Physics ,Xi 'an Institute of Technology ,Xi 'an 710032,China ;2.Xi 'an Institute of Optics and Precision M echanics ,CAS )A bstract : T he relation between air bubbles density and the depth from surface o f water ,the w ind speeda t water surface is introduced in this paper .M otions of bubbles of small ,intermediate and large size arealso stated too .The light scattering property of bubbles is discussed and a simple method to calculate theoptical proper ty of air bubbles is clarified .In this paper ,problems related to the optical methods to studyair bubbles are stated .Analy ses o f high speed photography of bubbles show that bubbles 'speed isconsistent w ith the results of theoretical calculation .A ll these show that detecting wakes of bubbles andtracing targets optically are feasible .Key Words : air bubble ;bubble density ;terminal velocity ;optical properties ;high speed photography引言海水中有以各种形式存在的空气泡,更一般地说气泡.由于波浪的破碎,在紧贴海面之下产生了大量的气泡,并被湍流卷入海面以下.气泡也可存在于某些生物机体之内,例如鱼类的第20卷 第1期 西 安 工 业 学 院 学 报 V ol .20 No .12000年3月 JO U RN AL O F XI AN IN ST IT U T E OF T ECHN OLO GY M ar .2000收稿日期:1999-09-22基金项目:国防科技重点实验室基金试点项目99JS 26.3.1.ZK1801作者简介:张建生(1966-),男(汉族),西安工业学院讲师,目前在西安光学精密机械研究所在职攻读博士学位.DOI :10.16185/j .jxatu .edu .cn .2000.01.001鱼鳔.气泡还发生于船舶的尾流中,而且尾流中的气泡能保留很长时间.在海水中自由的气泡十分微小,因为较大的气泡很快就上升到海面破裂消失.1 海水中气泡的密度由于海浪的破碎而产生的气泡,这些气泡在海水的浅表,它们在海洋学研究过程中起着作用.如液滴喷射、气体交换、有机粒子的形成、细菌的传播、化学物质的分馏、声波以及激光的行进和散射等.文献报导的对于气泡的数量以及线度分布的研究有三种方法:声学技术、气泡陷肼(Bubble Trap ,BT )和照相方法[1].Medw in 利用声学技术发现,在低风速、深度为14m 、水温为13℃时,单位体积每1μm (即Δr =1μm )半径宽度的气泡数量n (r )随半径r 的变化近似地满足关系n ～r -4(r <80μm ) n ～r -2(r >80μm )而气泡数量n 与深度z 的关系为n ～z -1/2(r ≥60μm ) n ～e -z /7(r <60μm ) Blanchard 和Woodcock 等利用BT 技术对深度为25m 、温度为14℃条件下的气泡进行了研究,并在研究过程中对气泡发生器进行遥控操作,遥控距离达60～70m .M edw in 首次利用照相方法测量气泡的数量及其线度分布,后来又有人进行了更为系统的研究[1].结果发现,测量区域的深度随气泡线度的增大而增加;气泡线度为17～300μm 时,被照相的样品体积为30～600cm 3.Kolovayev 和Johnson 等的研究结果表明[1],海面附近气泡量随深度呈指数规律减少;而在较深处,气泡量随深度按幂函数规律递减;随着风速的增加,气泡量的增加高于白浪覆盖面的增加.关系如下N /N 0=exp (-z ) z <3mN /N 0=0.9z -2.6 z >3mN ～v 4.5式中,N ,N 0,z 及v 分别表示深度为z 时的气泡密度、表面的气泡密度、以米为单位的深度、风速.并且上式与气泡的溶解、膨胀、结合等效应也有关系,这些效应大都是较小的气泡减少数量.小气泡的溶解直接使得其数量减少,同时,膨胀效应间接地减少其数量而使得大气泡的数量相对地增加.利用激光全息技术,研究表明半径在10～15μm 区间,每1μm 半径宽度对应的气泡数密度可达每立方米106个.关于气泡密度的知识倍受关注,包括水下声学家、流体力学家、海洋生物学家、化学海洋学家和气象学家[2].之所以能引起如此大的兴趣,是因为:气泡是有效的声波的散射体和吸收体;它们也是海水中的主要声源;它们在声换能器和螺旋桨叶片上充当空化核;对于海洋岩片、有机物、细菌和微量金属它们起着清道夫的作用;它们参与海洋表面的气体交换;它们还产生使气体沉积和云雾形成的雾气.对其特性研究的主要方法有照相技术、激光散射技术和激光全息术.不论是粒子还是气泡沫,光学散射截面(散射光强度与入射光强度之比)都近视等于其几何截面,所以散射技术很难辨别气泡与粒子.相比较,共振时气泡的声学散射截面是其几何截面的500倍,粒子的散射截面是其几何截面的1010倍.2 西 安 工 业 学 院 学 报 第20卷2 气泡的动力和运动学2.1 气泡的一般运动规律物体在流体中运动,受到流体的两种作用力,一种是摩擦力,另一种是压力[3].物体运动所受的阻力也可以归结为由摩擦引起的阻力和由压力差产生的阻力.比较小的物体在粘性较大的流体中缓慢地运动,换句话说在雷诺数比较小的情况下,作用于物体表面的摩擦阻力,是产生阻力的主要因素,这部分阻力叫做粘滞阻力.对于形状比较简单的物体,可以通过计算把阻力求出来,其中比较著名的是球形物体在流体中所受的粘滞阻力公式,即f =6πηv r式中,r 为球面半径,v 为球体运动速度,η为粘滞系数.该式称为斯托克斯公式,且只有在雷诺数比1小很多时才是正确的.作用于运动物体各部分的压力的合力形成压差阻力.当物体运动速度加大,以至物体后面出现漩涡时,压差阻力便成为主要的阻力.压差阻力来源于流体的粘性.压差阻力和物体的形状有关,改变物体的形状可以减少压差阻力.忽略气泡内部运动,静水中小气泡(r <150μm )的动力学方程为[1]d v /d t =(ρw -ρa )g /ρa -3ρw C d v 2/8ρa rv 、t 、ρw 、ρa 、g 、C d 分别表示上升气泡的速度、时间、空气和水的密度、重力加速度、阻力系数,阻力系数由雷诺数(Re )确定,ηw 表示水的粘滞系数.C d =24(1+0.15Re 0.687)/Re Re =ρw vr /ηw 对于大气泡,它们的形状通常要发生扭曲畸变而不再是球形.当半径在1000μm 以上时,气泡的运动不再稳定而且不再是其半径的函数,计算这些气泡的速度是很难的.然而实验观察到它们上升的速度接近30cm /s .图1 气泡上升速度与气泡半径关系在静水中,水泡上升的速度与其线度密切相关.根据大量的实验数据和理论分析,得出气泡上升速度与气泡半径之间的关系曲线如图1所示.值得注意的是,该速度在半径约为0.1cm 时达到一极大值,此后随着半径的增加变化很小.对于很小的气泡,其运动规律是线性的,对大气泡而言,也近似为线性的.还有一个值得注意的特点是,速度曲线在半径到0.04cm 这一段与球形粒子在水中下降速度的经验曲线相一致,而且气泡半径在0.01～0.1cm 范围,该曲线与实验高度一致.2.2 流体力学对气泡上升速度的求解2.2.1 一般小气泡的末速度后面将要用到的表达式3第1期 张建生等:水中气泡的特性研究 Eoetvoes number Eo =g Δρr 2/σ M orton num ber M =g η4w Δρ/ρ2w σ3Δρ=ρw -ρa κ=ηa /ηw 从流体力学理论来看,对于水中的气泡,κ非常小,对气泡的内部环流而言粘滞阻力很小,所以阻力和末速度与表面活化剂的存在有密切的关系.在纯净水中,气泡半径r >1.3mm ,其末速度近似为v t =[(2.14σ/ρw r )+0.505gr ]1/2 Aybers 和Tapucu 测量了水中气泡的积累情况,发现当表面活性因素在气泡上升过程中持续存在时,气泡的末速度也将超出上式给出的值[4].考虑到污染的影响,Grace 等人把几种类型的关系应用于大量实验数据,得到有关污染系统和纯净系统的结论.对于污染系统,当M <10-3, Eo <40, Re >0.1时,有J =0.94H0.757 (2<H ≤59.3)J =3.42H 0.441 (H >59.3)其中,H =4EoM -0.149(ηa /ηw )-0.14/3, J =ReM 0.149+0.857.在Braida 的实验中,水的粘滞系数取0.0009kg /ms .由上面的结果,可将末速度写成无量纲量J 的显函数v t =ηa M -0.149(J -0.857)/ρa r由此式预言的末速度与测量值之间的均方根偏差为15%(H ≤59.3)、11%(H >59.3).对于纯净系统(v t )pure =v t [1+Γ/(1+κ)]式中Γ需要通过实验来确定.2.2.2 中等气泡的附加运动除了上升之外,水中的中等气泡还参与了两种形式的附加运动:①“刚体”型的滚动,或者沿之字形、螺旋形轨迹的运动.②形状的变化和膨胀,即气泡的振荡.这些形式的运动常常是同时存在的,中等气泡的运动情况非常复杂.对于形变的气泡,报道的理论和数值计算非常少.但是有一种简化模型,假定气泡是完美的椭球状,再考虑到其附加运动,所预言的结果相当地符合实验结果.在假定界面无污染的条件下,阻力系数为C d =48f 1(E )[1+f 2(E )/Re 1/2]/Re式中,第一项来源于无旋流通过扁平的椭球面时的粘滞能量损耗,第二项来源于边界层和尾流的消耗.2.2.3 大气泡的理论大气泡的形状不能够精确地预言,其末速度可通过观察到的形状计算得到.对于大气泡,忽略其表面张力,只考虑其顶点附近的水流,则表面压强分布可由伯努利(Bernoulli )理论求4 西 安 工 业 学 院 学 报 第20卷得.对球冠而言,压强满足关系p s -p 0=±ga ρw (1-cos θ)-9ρw v 2t sin 2θ/8其中p 0是顶点(θ=0)处的压强,p s 为表面上任一点的压强,θ为该点半径方向与竖直轴的夹角,正负号分别用于向上或向下运动的球冠,a 是球冠的半径.当雷诺数足够大(>100)时,由于缓慢运动的内部边界层的作用,球冠的表面压强分布可表示为p s -p 0=±ga ρa (1-cos θ)让上两式相等即得末速度v 2t =8ga Δρ(1-cos θ)/9ρw sin 2θ上式不能应用于整个球冠.但是当θ※0时,末速度可以简化为v t =2(ga Δρ/ρw )1/2/3这是著名的Davis -Taylor 方程.对椭球冠形的气泡,可类似地得到v t =f (e )(gb Δρ/ρw )1/2b 、e 分别是竖直半轴和偏心率,而f (e )由下式确定f (e )=[arcsin e -e (1-e 2)1/2]e -3 (扁球面)f (e )=(1-e 2)1/2[e -(1-e 2)arth e ] (长球面) 另外,Collins 利用微扰分析方法得到了大气泡末速度的一种二阶近似表达式v t =0.625(g āΔρ/ρw )1/2ā为θ=0到θ=37.5°椭球面曲率半径的平均值.3 用光学方法研究气泡特性所涉及的问题由于气泡的存在,水的光学特性与无气泡时会有显著的区别.当气泡的线度远大于所使用的光的波长时,气泡的影响主要是对光的反射、折射和吸收;当气泡的线度与所使用光的波长可以比拟时,其影响还有非常重要的一方面———散射.另外,气泡中气体的组份不同也会使其影响有所不同.由于各种气体的溶解度不同,使得气泡内气体的组份不同于大气中的组份,气泡腔内的气体基本是1/3的氧气和2/3的氮气.在运动过程中,气泡每秒聚集的气体量正比于气泡的表面积、周围水中的溶解压,与温度和水压基本无关,比例系数粗略估计为4×10-14mol /s cm 2Pa .在溶解有饱和气体的水的表层,球形气泡直径的减小速度有如下规律:减小速度随深度的增加而增大,从深度为5m 时的8×10-5cm /s 增加到深度为100～200m 时的18×10-5cm /s ,超过这个深度区减小速度没有更明显的增加.实验表明,半径为0.1cm (3kHz 声波的共振尺寸)的气泡,大约在20min 内会完全溶解.如果尾流中起始气泡的线度(半径)≥10-2cm ,则随着较小气泡的收缩,较大气泡的线度也在减小,那些最小线度的气泡在尾流形成20min 以后仍然存在.粗略地估计,用超声频率观察时,尾流的声学效应能够维持15～45min ,其光学效应(主要是散射效应)将维持更长时间.用光学方法研究尾流气泡的特性,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,在研究所用的介质中可能有各种各样的气泡.如浮游生物产生的气泡,由于温度的变5第1期 张建生等:水中气泡的特性研究 化而产生的气泡,由于尘埃产生的气泡,以及各种微扰(包括大气流动、各种振动、声波、湍流等)而产生的气泡,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性做出分析.②气泡的运动规律.根据研究过程中气泡的动力学特征,涉及气泡的附加压强、浮力、介质的粘滞阻力以及压差阻力,还有在不同温度、风力和光照下介质表面蒸发速率的影响,综合各方面的因素,对气泡的运动规律作出正确的结论.③气泡的衰减规律.由于上面提到的许多因素的影响,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,这些共同的规律性必然是一定宏观特征的函数.④气泡的记录及其分析.对气泡的分类、运动规律、衰减规律的分析研究必需借助于对真实环境中气泡的记录,完善、真实的记录是完成上述研究的基础.4 气泡对光的散射特性4.1 一般气泡的光学散射特性M arston 等人研究了单个气泡的临界角(82.8°)散射、Brewster 角(106.2°)散射和辉角(180°)散射,揭示出气泡的存在会影响水中的光特性[5～7].但是气泡的群体光学特性,如大量气泡的散射系数、背散射系数与单个气泡的相应参数有何联系,仍然没有有效的研究.对于气泡群体光学特性的研究最初是由Stramski 进行的,他研究了半径在10～150μm 范围的干净气泡的光散射性质,发现这些气泡对海水的散射、背散射系数的贡献近似可达10%.他在研究过程中采用了O 'Hern 等人通过全息照相技术得到的气泡大小分布结论.然而许多实际测量显示气泡的大小分布约在40～80μm 处有一峰值,这与声学方法所得结果是不同的,光学和声学方法的不同结果还没有确定的理由来作出解释.这么大小的气泡对光的散射是随着条件的变化而变化的,而且Stramski 仅考虑了干净气泡.在自然情况下,海水中气泡形成后很快就会形成有机膜,这些有机膜主要由蛋白质和类脂化合物组成,其相对折射率(蛋白质m =1.20,类脂化合物m =1.10)与气泡(m =0.75)差别很大,所以有有机膜与干净的气泡的散射情况不相同.气泡群体的光学特性可通过下式计算j =∫rmax r min Q j (r )πr 2n (r )d r式中,j 表示全散射系数b (m -1)或背散射系数b b (m -1);Q j 是单个气泡的散射、背散射的无量纲有效因子,可由Mie 理论[8]计算得到;积分上下限r max 、r m in 表示气泡的最大和最小半径.n (r )一般的形式为n (r )=N 0p (r ),m -3μm -1;p (r )是气泡的几率密度函数,μm -1.观察结果支持两种形式的p (r ),一种形式是随气泡密度的变化有一峰值,而在峰值两侧迅速减小;另一种是随气泡半径的减小而单调增加.由光学方法和模拟数值模型所获得的结果与第一种形式相符,但是在不同的观察中峰值的位置不同;另一方面,由声学技术所得结果与第二种形式一致.p (r )的第一种形式依赖于峰值的位置,可表示为6 西 安 工 业 学 院 学 报 第20卷p (f )=c 1r 4 0≤r <r ac 2 r a ≤r <r bc 3r -4 r b ≤rr a 、r b 分别是决定峰值所在的气泡半径,常数c 1、c 2、c 3仅由r a 、r b 确定.而另一种形式是与r -4成正比.显然这样的关系不能够推广到半径为零的情况,而且与最大气泡密度相对应的半径也是未知的.这种几率密度函数的一般形式为p (r )=cr -4 r ≥r 0r 0是气泡的最小半径,常数c 仅决定于r 0.计算气泡整体特性的表达式还可以简化为j =N 0q j s其中q j =∫r max r m in Q j (r )p (r )πr 2d r ∫r max r min p (r )πr 2d r s =∫r maxr min p (r )πr 2d r 式中,q j 、s 分别是平均光学效应因子和平均几何散射截面.4.2 吸附有机膜气泡的散射效应上面提到,自然界的气泡常覆盖着有机物和其它吸附粒子,覆盖层的厚度估计在0.01～1μm 之间,其成份包括脂、脂肪酸、脂肪醇以及蛋白质分子.胶质中其厚度为50～500nm 范围.大气泡外的这种有机覆盖膜是局部的,只有当气泡收缩至足够小时,才会形成一个整个的膜.另一方面,随着气泡寿命的增加,吸附的有机膜的厚度相应增加并且会形成多层系统.吸附有机膜的气泡的一般特点是其散射、背散射效应开始都会减小到一最小值(膜愈薄,减小愈迅速),然后要增加到整体的最大值,之后当气泡线度增大(相对于波长λ=550nm )时振荡变化而趋近于一饱和值.对线度大于10μm 的气泡,由吸附膜产生的全散射效应增强较小(<10%),但对背散射而言情况截然不同.有机吸附膜对背散射的增强直接依赖于膜厚.膜厚小于0.01μm 时,背散射没有显著变化;而膜厚到0.1μm 时,背散射要增强四个数量级.膜厚度更厚(>1μm )时,背散射效应随气泡线度的增大(>10μm )而减小,并达到一比膜厚为0.1μm 时更小的值.总而言之,有机膜能够显著增强气泡的背散射效应,但对全散射效应的影响较小.这和M eyer [8]的研究结果是一致的.此外,Arnott [9]等研究了自由上升的小气泡的辉光效应,并且建立了一种有关球形气泡的物理光学模型,所建立模型的计算结论与M ie 理论的计算结果、观察到的结果都是一致的;M arston [8]等研究了水中气泡的近临界角散射,表明在该散射过程中衍射起着重要的作用.5 实验结果及后续工作展望使用棱镜补偿式高速摄影机(f =300mm ,型号LBS -500),借助于气泡模拟器,在实验7第1期 张建生等:水中气泡的特性研究 室对纯净的淡水中气泡模拟器所产生的气泡进行了拍摄,拍摄结果的一小部分见图2.从所拍图2 LBS -500所拍摄的气泡摄的图像来看,气泡模拟器所产生的气泡清晰可辨.可目视分辨的气泡大小分布较宽,其直径在0.15～3.67m m 之间;气泡基本都呈球形,直径超过3.00mm 的大气泡有形变,呈球冠或椭球冠形状;从图像采集数据可计算得到气泡在水中的上升速度,所得结果与理论计算结果相符.通过以上的理论计算和实验结果,我们认为采用光学方法研究尾流气泡并且依此对目标进行跟踪是完全可行的,但还需对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、记录分析仪器等)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,为今后该项目工程化的实施打下坚实的基础.参考文献:[1] W U JI N .Bubble populations and spectra in near -surface ocean :summary and review of field measurements[J ].J Geoph Res ,1981,86(C1):457[2] M EDV IN H ,BREI TS N D .Ambient and transient ,bubble spectral densities in quiescent seas and underspilling breakers [J ].J G eoph Res ,1989,94(C9):12751[3] 漆安慎,杜婵英.力学基础[M ].北京:高等教育出版社,1982[4] CLIF T R ,G RACE J R ,W EBER M E .Bubbles ,drops and par ticles [M ].New York :Academic P ress ,1978[5] ZHA NG X D ,LEWI S M ,JOHNSON B .Influence of bubbles on scattering of light in the ocean [J ].App Opt ,1998,37(27):6525[6] BOHRON C F ,HUF FM AN D R .Absorption and scattering of light by small particles [M ].N ew Yo rk :Wiley ,1983[7] M EYER R A .Light scattering from biological cells :dependence of backscattering radiatio n on membranethickness and refractive index [J ].Appl Opt ,1979,18(2):585[8] M A RSTO N P L ,K ING SBU RY D L .Scattering by a bubble in water near the critical ang le :interferenceeffects [J ].J Opt Soc Am ,1981,71(2):192[9] ARN OT T ,MA RSTO N P L .Optical glo ry of small freely rising g as bubbles in water :observed and computedcross -polarized back scattering patterns [J ].J O pt Soc Am A ,1988,5(4):4968 西 安 工 业 学 院 学 报 第20卷。
船舶含气泡尾迹的光学特性研究
（． 军 大 连 舰 艇 学 院 军 事 海 洋 系 ， 宁 大 连 １ ６ １ ￣ ． １海 辽 １ ０ ８ ２ 国家 卫 星 海 洋 应 用 中心 ， 京 １ ０ ８ ） 北 ０ ０ １
摘 要 ：基 于 充 分 挖 掘 卫 星 遥 感 应 用 于 海 洋 监 测 能 力 的 需 求 ， 过 海 上 试 验 测 量 船 舶 含 气 泡 尾 迹 海 通 水 的 物 理 、 学 特 征 ， 究 气 泡 群 对 不 同水 体 光 学 特 征 的 影 响 ， 如 离 水 辐 亮 度 、 感 反 射 率 ． 些 光 研 例 遥 这
中 的．
关 键 词 ：船 舶 尾 迹 ； 泡 群 ； 体 光 谱 ； 谱 测 量 气 水 光
中 图分 类 号 ：Ｐ １ Ｐ ３ ７ ． ７ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章 编号 ： ２ ３ ４ ９ 一 ２ ０ ） ２０ ４ — ６ ０ ５ — Ｉ ３ （ ０ ７ ０ — ０ ５０
１ 引 言
工作 可 为通过 星载 光 学传 感 器 遥 感 获取 船 舶 尾 迹信 息提 供 理 论 依 据． 验 证 明 在 可 见 光 和 近 红 试
外波段船 舶含 气泡 尾迹 相对 于 背景海 水 的离水 辐 亮度 、 感反 射 率都 不 同程度地 得 到 了增 强 ， 遥 并且 在 一类 水体 中含 气 泡 尾 迹 的光 谱 后 向散 射 无 论 是 相 对 增 幅 还 是 绝 对 增 幅 都 要 远 大 于 二 类 水 体
对舰船 尾 流 中 气 泡 的 光 学 特 性 进 行 了 一 系 列 的研 究 ． 过 分 析 国 内 外 相 关 方 面 的 研 究 可 发 现 ， 水 面 通 在
Ｋ ｌｉ 迹 沿着相 对 于 船舶 航 向 １ ． 。 ｅｖｎ尾 ９ ５ 的半 夹 角方 向 向外 辐散 ， 而新 产 生 的气 泡 则 由 于尾 流 水 平 方 向 的 聚敛 作 用 局 限 于船 后 的 中心 线 尾 迹 里［ ． ３ 远离 船舶 中心 线 的尾迹 经常 伴有 持续 时 间较长 的大
不同液体中气泡光散射及演化形态
不同液体中气泡光散射及演化形态不同液体中气泡光散射及演化形态：尾流气泡已成为21世纪国防军事的研究热点之一。
由于尾流气泡不仅能被在低空的机载雷达遥感探测识别,还能被在深空中的星载干涉合成孔径雷达探测到,此外,水下装有尾流气泡制导系统的鱼雷也可跟踪识别船舰尾流进而进行打击目标,因此基于探测尾流气泡的新技术具有重要的军事应用价值。
尾流气泡目前有两个研究方向：第一个方向表现在宏观上,在较大的空间范围研究舰船尾流的海面特性,如几何形状及其随时间的演化、海面光谱吸收反射同周围温度信号的关系、尾流的遥感图像系统及目标识别等;第二个研究的方向表现在微观方面,就是在定域空间研究气泡的物理特性,如尾流区中气泡的形状演化、尺度分布、数密度分布、存活时间、上升速度以及光学散射吸收特性等。
两个研究方向都有各自的研究方法、探测手段和应用优势,但是两者相互紧密联系。
气泡的理论和实验的研究可为尾流提供理论基础和实验依据,研究尾流可从较大的空间范围和实际应用领域验证并促进气泡的研究。
本文主要从理论计算和实验测量两种途径,以淡水和盐水为介质,做了两方面的研究工作。
一方面,研究了不同液体中气泡的光散射特性,分析盐水和淡水中气泡幕前向光散射特性;另一方面,通过拍摄水中气泡幕的动态图像,对气泡上升过程的形态演化做了定性的分析。
在理论上,首先根据Mie散射理论计算了单个气泡的光学散射效率、散射相函数和强度分布,对三种不同尺度分布模式的气泡群,用MATLAB编程计算了盐水和淡水气泡群的光散射特性,进一步分析了盐水和淡水前向散射变化比例。
然后在实验测量方面,在暗室中测量不同压强下,模拟尾流气泡幕的前向光散射照度。
通过计算分析有无气泡幕光照度变化和散射光相对比例,提出差值分析可以探测液体中气泡。
理论计算结果表明,对同一尺度分布的气泡群,盐水中气泡前向散射光比淡水中气泡散射光有所增加,最大达到14%,增幅随着散射角增加而减小。
无气泡幕时测量盐水前向光散射比淡水光散射有所增加;有气泡幕时,在实验选择的不同压强条件下,同一种液体中,气泡幕前向平均相对散射增加约10%,然而压强相同时,盐水中气泡幕前向光散射平均照度比淡水增加约5%。
淡水和盐水中模拟气泡幕前向光散射特性
淡水和盐水中模拟气泡幕前向光散射特性孙建鹏;张建生;陈焱【摘要】用理论计算和实验测量方法研究了模拟淡水和盐水中的气泡幕前向光散射特性.首先根据Mie散射理论,利用MATLAB编程计算了淡水和盐水中3种不同尺度分布的气泡群相散射函数,分析盐水相对淡水气泡群前向散射变化比例.然后根据实验测量数据,通过计算分析有无气泡幕光照度变化和散射光相对比例,提出差值分析可以探测液体中气泡.理论计算结果表明,对同一尺度分布的气泡群,盐水中气泡前向散射光比淡水中气泡散射光有所增加,最大达到14％,增幅随着散射角增加而减小.无气泡幕时测量盐水前向光散射比淡水光散射有所增加;有气泡幕时,在实验选择的不同压强条件下,同一种液体中,气泡幕前向平均相对散射增加约10％,然而压强相同时,盐水中气泡幕前向光散射平均照度比淡水增加约5％.【期刊名称】《西北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(044)001【总页数】6页(P31-36)【关键词】尾流;气泡幕;前向散射;Mie散射;光照度【作者】孙建鹏;张建生;陈焱【作者单位】西安工业大学理学院,陕西西安710021;西安工业大学理学院,陕西西安710021;西安工业大学理学院,陕西西安710021【正文语种】中文【中图分类】O439船舰尾流中含有大量的气泡，国内外对气泡光学特性已有大量理论和实验研究。
国外非光学探测尾流气泡的方法主要有基于合成孔径雷达的光学遥感、水下声学和水下照相[1－3]。
对于气泡群的研究，1994年Stramki最早用Mie理论研究了干净气泡群的光学特性[4]。
1998—2004年，文献[5－7]应用Mie散射理论估计了干净气泡和覆有有机物薄层的气泡的光学特性，并给出了一种计算气泡群体光学特性的方法。
国内对尾流气泡的研究基于鱼雷光尾流制导的应用，2000年，文献[8]研究了基于舰船尾流光学效应鱼雷制导[8]。
2001年，文献[9]对尾流的光学特性课题进行了深入研究，后续进一步研究了模拟尾流和真实尾流中气泡群的运动规律、消光特性、探测方式及尾流光信号的处理 [10－13]。
海面舰船电磁散射特性分析
海面舰船电磁散射特性分析海面舰船电磁散射特性是指在雷达波长范围内，海面舰船对电磁波的反射和散射的特性。
海面舰船电磁散射特性主要与舰船的尺寸、形状、机体结构、表面涂层、材料及目标的方向性、雷达频率等因素有关。
其中，形状和机体结构是影响电磁散射特性的最关键因素。
因此，对于一艘舰船，其电磁散射特性的影响因素应该从这两个方面进行分析。
首先，尺寸和形状对电磁散射特性的影响较大。
舰船的水线长度、宽度、高度和各个部位的流线型对电磁散射的影响不同。
一般来说，舰船的长宽比较小时，其电磁散射特性较差；而长宽比较大的舰船，由于其细长的特点，电磁散射特性能够得到一定的优化。
此外，舰船的平台和驾驶舱等部位的高度也会影响其电磁散射特性。
因此，在舰船的设计中，应该考虑到这些因素，尽可能地降低其电磁散射的强度。
其次，舰船的机体结构也会对电磁散射特性产生重要的影响。
一般来说，舰船的目标散射截面（RCS）主要与舰船的表面特征和反射面积有关。
因此，在选择舰船表面涂层和导电材料时，应该尽可能地保证其平滑度和反射率。
此外，舰船的天线、烟囱、桅杆等部位也会影响其电磁散射特性，需要进行合理的设计和优化。
在雷达波长范围内，舰船的散射比较复杂，不同频率下其散射特性也会有显著差异。
在低频段（VHF、UHF），舰船的目标散射截面主要由反射面积和舰船的表面特征决定，而在高频段（X波段、K波段），舰船的目标散射截面主要由舰船的几何特征和导电率决定。
综合来看，对于设计和优化舰船电磁散射特性，需要考虑舰船的几何结构、表面特征、材料和雷达频率等因素，进行合理的设计和优化。
这样才能有效地降低其电磁散射的强度，提高其隐身性能。
海面舰船电磁散射特性的数据分析需要考虑多个方面，包括舰船的核心参数、雷达特性以及舰船结构等，下面列举几个关键数据进行分析。
1. 舰船的镜像反射比舰船的镜像反射比是指雷达能量射向舰船表面形成的虚像和舰船表面实际反射出的雷达波射线比值，通常表示为dB。
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第１９卷第１２期２００７年１２月强激光与粒子束ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＶ０１．１９，Ｎｏ．１２Ｄｅｃ．，２００７文章编号：１００１—４３２２（２００７）１２—１９７９—０４吸收性海水中气泡光散射特性的理论研究。
赵卫疆１，苏丽萍２，任德明１，胡孝勇１，曲彦臣１，刘西站１（１．哈尔滨工业大学光电子技术研究所可调谐激光技术国家级重点实验室，哈尔滨１５００８０｝２．哈尔滨工程大学理学院，哈尔滨１５０００１）摘要：给出了一种适合于吸收性介质内粒子散射的Ｍｉｅ级数新的表示形式。
利用Ｍｉｅ理论研究了吸收性海水中气泡的单散射特性和气泡群的相位函数。
与非吸收性海水中气泡的光散射特性相比，分析了海水折射率虚部对气泡光散射的影响。
结果表明：１８０。
后向散射的增强是气泡固有的光学性质，与所处介质无关，可以利用后向散射的增强来探测气泡。
关键词：Ｍｉｅ理论；吸收性介质；气泡；相位函数；后向散射中图分类号：０４３６．２文献标识码：Ａ海水中波的破碎以及鱼群和舰船等物体的运动都会产生大量的气泡。
气泡的存在严重影响了光在水中的传播特性，气泡的光散射对水下目标的探测以及遥感技术的应用具有重要的作用，但气泡光学特性的研究起步较晚。
Ｄａｖｉｓ最早于１９５５年利用几何光学方法研究了水中单个大尺度气泡（半径大于几个入射光波长）的散射光强度随散射角的分布特性Ｅ¨。
Ｍａｒｓｔｏｎ等人利用物理光学近似方法研究了单个气泡的临界角（８２．８。
）散射、布儒斯特角（１０６．２。
）散射和辉光（１８０。
）散射以及脏气泡的临界角散射［２。
５］。
Ｓｔｒａｍｉｓｋｉ于１９９４年应用Ｍｉｅ理论首先研究了海水中半径在１０～１５０肛ｍ内干净气泡群的散射和后向散射系数［６］，发现这些气泡对海水后向散射的贡献可达１０％。
Ｚｈａｎｇ应用Ｍｉｅ理论研究了脏气泡群的散射和后向散射系数以及体散射函数［７。
８］。
最近，又有关于利用光线跟踪法研究气泡介质散射光的强度和偏振特性以及利用多层蒙特卡罗方法模拟水下气泡群后向散射信号的报道［９‘１Ｓｔｒａｍｉｓｋｉ仅研究了干净气泡的光散射特性嘲，Ｚｈａｎｇ虽然将重点放在了脏气泡上［７］，但他们都将海水当作非吸收性介质来考虑。
实际上，海水是一种吸收性介质，海水对光的吸收会影响到气泡的光散射。
本文利用Ｍｉｅ理论研究了气泡在吸收性海水中的光散射特性，同时，给出了适合计算吸收性介质内粒子散射的Ｍｉｅ级数新的表示形式。
１理论基础Ｍｉｅ理论是麦克斯韦电磁波方程组在一定的边界条件下经过严格的数学推导得到的匀质球形颗粒在平面单色光照射下散射的精确解。
Ｍｉｅ理论的核心是散射系数‘１１３式中：ｍ为粒子相对于周围介质的复折射率；ｘ＝２，ｒｎａ／Ａ．为粒子的相对尺度，口为粒子半径，Ｙｌ—ｉｒｌＲ。
一ｉ挖ｈｎ为介质的复折射率；咖，邑，妒７；和拿７。
分别为Ｒｉｃａｔｔｉ－Ｂｅｓｓｅｌ函数及其导数。
从式（１）可以看出，Ｍｉｅ系数是粒子相对复折射率ｍ和尺寸参数ｚ的函数。
海水中气泡的折射率一般为实数，当海水为非吸收性时，ｍｘ和ｚ均为实数；当海水为吸收性时，ｍｘ为实数，ｚ为复数。
可见，海水折射率虚部将影响Ｍｉｅ散射系数，从而影响球形粒子的光散射。
当气泡半径较大时，咖和＆可能会超过计算机的处理字长，使计算结果溢出。
为此，我们引进两个新的函数陋１３３Ｄｆ（懈）一船，Ｒｊ（ｚ）一器（２）－收稿日期：２００７－０５－１７≯修订日期：２００７－１０－０９基金项目：哈尔滨工业大学优秀团队支持计划资助课题作者简介：赵卫疆（１９７１一），男，黑龙江人，副教授，博士，主要从事激光技术及应用研究ｆｃ０２＠ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。
强激光与粒子柬第１９卷代人式（１）司得铆一８（ｚ兀酉蕊西硫：＿（面］’’叻一百虿面历忑忑Ｆ］澜¨’以ｒ—Ｃ８ｔ（（ｚｘ兀）［Ｄ丽ｔ（瓦ｒｅｘ万）二－－丽ｍＤ：ｌ＿（（面ｘ）］－，６ｚ一承驴ｔ（五ｘ）丽［ｍ瓦Ｄｔ丽（ｍ西ｘ）＝－－瓦Ｄｌ石（ｘ玎）］（３）实际计算表明，形如式（３）的散射系数具有良好的收敛性，从较小的粒子（瑞利尺寸的粒子）到非常大的粒子（ｚ或ｍｘ的虚部可以达到１０５），计算过程都不会出现溢出。
任一个描述球形粒子光散射特性的参数均可用Ｍｉｅ系数来表示。
吸收介质内球形粒子的单散射特性可表示为‘１４］Ｑ｜一Ｗｉ巧（¨式中：Ｊ可代表ａｂｓ，ｓｃａ，ｅｘｔ；Ｑａ。
，Ｑ。
和Ｑｅ。
分别表示吸收、散射和消光效率因子；Ｗ曲。
，Ｗ。
和Ｗ。
分别表示能量吸收速率、能量散射速率和能量衰减速率；ｆ表示在吸收介质内入射到散射体上的能量速率。
非对称因子为ｇ一！薹［堂竺兰竺．２ｌ＋１Ｒｅ（ａｚｂ？）］㈣∑（２ｚ＋１）（ＩⅡ，Ｉ２＋ｌｂ；ｌｚ’粒子群体散射函数的计算公式为ｆｌ（ｏ）一嘉．ｆ：眦（懈朋＋Ｊ∥（眦，刚Ｎ（口）ｄ口（６）式中：Ｎ（ｎ）为粒子数密度；Ｉｘ（ｍｘ，疗）一ＩＳ，ｌ２和Ｉ／／（ｒｅｘ，日）一ＩＳｚ２称为入射光偏振方向垂直和平行于散射面的散射光强度函数，可表示为ｓ－一翠筹吕‰科６ｆｒ山ｓｚ＝翠筹浩‰科㈨（７）式中：矾和ｒ，为角函数。
用散射系数对体散射函数进行归一化，得到无量纲的归一化体散射函数，即相位函数Ｐ（口）＝ｆｌ（ｏ）／位。
（８）具体表示为ｌａｍｔｇ‘Ｎ（ｎ）ＩＳ上，∥１２ｄａＰ１．∥＝之Ｌ＿芸垫—————————一（９）Ｌ一丽产ｉ瓦ｉ忑五ｑ’Ｐ（口）一去［Ｐ上（口）＋Ｐ／／（口）］（１０）２结果分析２．１气泡的单散射特性实际上，海水本身对蓝绿光除了散射外，由于黄色物质等吸收性物质的存在，导致海水本身对蓝绿光有一定的吸收。
海水吸收对浸在其中气泡的光散射产生一定的影响。
气泡相对复折射率ｍ的实部为０．７５，虚部为０；海水折射率实部为１．３４，虚部分别为０．００１，０．Ｏｌ和０．０５。
图１给出了３种情况时单个气泡的消光、散射和吸收效率因子以及非对称因子，将折射率虚部为０的情况包括在内，是为了方便比较。
从图１（ａ），（ｂ）和（ｃ）可以看出，在吸收性海水内，气泡的消光效率因子具有谐振结构，但随着尺寸的增加，消光效率因子逐渐趋近于１，而不是２；并且折射率虚部越大，趋近得越快。
对于相同尺寸的气泡，其消光效率因子随海水折射率虚部的增加而减小。
由于吸收效率因子为０，所以散射效率因子等于消光效率因子。
从图１（ｄ）可以看出，吸收介质对气泡的非对称因子的影响较为显著。
随气泡尺寸的增加，非对称因子先呈现下降趋势，小于非吸收介质时的情况，ｚ＜５０时，改变量小于１０％；然后，非对称因子随气泡尺寸增加呈现上升趋势，逐渐大于非吸收介质时的情况，最后趋近于０．９１５，折射率虚部越大，非对称因子趋近得就越快；和非吸收介质内的０．８４５相比，增加了９％左右，这表明吸收介质使前向和后向散射在气泡总的散射中重新分布。
２．２气泡群的相位函数计算气泡群的相位函数需要知道尾流内气泡的尺寸分布情况和单个气泡的相位函数，气泡的尺寸分布情吸收性海水中气泡光散射特性的理论研究作者：赵卫疆， 苏丽萍， 任德明， 胡孝勇， 曲彦臣， 刘西站， ZHAO Wei-jiang， SU Li-ping， REN De-ming， HU Xiao-yong， QU Yan-chen， LIU Xi-zhan作者单位：赵卫疆,任德明,胡孝勇,曲彦臣,刘西站,ZHAO Wei-jiang,REN De-ming,HU Xiao-yong,QU Yan-chen,LIU Xi-zhan(哈尔滨工业大学,光电子技术研究所,可调谐激光技术国家级重点实验室,哈尔滨,150080)， 苏丽萍,SU Li-ping(哈尔滨工程大学,理学院,哈尔滨,150001)刊名：强激光与粒子束英文刊名：HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS年，卷(期)：2007，19(12)被引用次数：0次1.Davis G E Scattering of light by an air bubble in water 1955(07)2.Marston P L Critical angle scattering by a bubble:physical-optics approximation and observations 1979(09)3.Marston P L Scattering by a bubble in water near the critical angle:interference effects 1981(02)4.Marston P L.Billeue S C.Dean C E Scattering of light by a coated bubble in water near the critical and Brewster scattering angles 19885.Arnott W P.Marston P L Optical glory of small freely rising gas bubbles in water:observed and computed cross-polarized backscattering patterns 1988(04)6.Stramski D Gas microbubbles:an assessment of their significance to light scattering in quiescent seas 19947.Zhang X.Lewis M R.Jonhnson B D Influence of bubbles on scattering of light in the ocean 1998(27)8.Zhang X.Lewis M The volume scattering function of natural bubble populations 2002(05)9.Kokhanovsky A A Optical properties of bubbles 200310.Xia M.Yang K C.Zhang X H Monte Carlo simulation of backscattering signal from bubbles under water 200611.Van de Hulst H C Light scattering by small particles 195712.Wiscombe W J Improved Mie scattering 1980(09)13.Mackowski D W.Alterkirch R A.Menguc M P Internal absorption cross sections in a stratified sphere 1990(10)14.Fu Q.Sun W Mie theory for light scattering by a spherical particle in an absorbing medium2001(09)15.苏丽萍.任德明.曲彦臣舰船尾流散射特性的研究[期刊论文]-激光杂志 2007(01)本文链接：/Periodical_qjgylzs200712010.aspx授权使用：吕先竟(wfxhdx)，授权号：14786bad-ac2d-4e1d-b4cd-9e9900e79cfd下载时间：2011年3月1日无锡伊诺特石化机械设备有限公司为无锡澳驰过滤设备有限公司于2007年4月在中国无锡成立的全资子公司，是国内领先的微米级过滤器供应商之一，同时特别善长于苛刻工况的过滤设计。