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