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1、气泡光散射谱强度分布研究第l1卷第2期2003年6月鱼雷技术ToRPEDoTECHNOLOGYVO1.1lNo.2.tun.2003气泡光散射谱强度分布研究刘继芳,刘海洋,冀邦杰.(1.西安电子科技大学技术物理学院,陕西西安710071;2.中国船舶重工集团公司第705研究所,陕西西安710075)摘要.提出了测量水中气泡光散射特性的一种新方法,利用光散射谱强度分布的半值宽度随产生气泡气压的变化测量水中气泡的分布情况.研究表明,光散射谱强度分布的半值宽度可以用作为检测水中气泡存在的判据,具有较高的实用价值.关键调.气泡I光散射谱强度分布I半值宽度中图分类号tTN249文献标识
2、码zAAStudyofLightScatteringSpectrumIntensityandDistributionofBubblesinWaterL亿r一,n,lg,LjUHai—yang,JIBang-fie(1.SchoolofTechnicalPhysics,XidianUniversity,Xi'an710071I2.The705ResearchInstitute,CSIC,Xi'an710075)AbstractlAnewmethodformeasuringlightscatteringcharacteristicsofbubblesinwaterwaspropo
3、sed.Therelation—shipbetweenairpressuregivingbirthtObubblesandthefullwidthathalfmaximum(FWHM)oflightscatteringspec-t_rumintensityisinvestigatedexperimentally.TheresultshaveshownthattheFWHMoflightscatteringspectrumin—tensityofbubblescanbeusedasthecriterionofthedensityandsizeofbubblesinwater.T
4、hemethodmayfindmanyap—plicationsinunderwaterdetection.KeywordslbubbleIlightscatteringspectrumintensityIFWHM0引言水中所含气泡的尺寸不同,其对光的透射,吸收和散射性能也不同.因此可以利用尾流对光的透射,吸收和散射等特性相对周围无气泡海水介质的差异进行水下目标探测.目前从实际应用角度来看,可以采用的光探测方式有以下几种:(1)利用成像的方法来探测[1],由于光波本身在水中衰减较大,实际有效的探测作用距离非常有限,一般只有几十米,无法利用激光完成远程目标探测;(2)利用目标光
5、散射的方法,对探测目标不需要成像,仅仅测量其光散射特性;(3)光尾流探测,测量舰船尾流中气泡的散射特性.本文主要从理论和实验上对不同气泡分布条件下,采用光散射谱强度对水中气泡的光散射特性进行了研究.1气泡光散射特性的理论1.1单个气泡的光散射光线通过真空及均匀介质时,是沿直线方向或折射光线的方向直线传播.当光线在某一介质中传播时,如果入射光的一部分偏离了其原始方向而向四周散射,这种现象称为光的散射.为了确定散射体的光散射定律,需要根据电磁理论应用麦克斯韦方程求解,这称为米氏理论(MieTheo—ry)[2].米氏理论有关光散射的严格解,理论及数学求解比较繁琐.对于单个的球形粒
6、子,当颗粒远小于入射光波长,米氏解近似为瑞利(Rayleigh)公式,这种情况下的散射称为瑞利散射.当颗粒尺寸远大于波长时,根据衍射理论所得到的结果与米氏解相同,这时的散射称为衍射散射.只有当颗粒尺寸在瑞收藕日期l2003—03—10I惨国日期l2003—05—12作者筒介z刘继芳(1957一).男,剐教授,1988年在中国科学院西安光学精密机械研究所获理学博士学位.主要从事非线性光学,光学信息处理等方面研究和教学工作.先后在国内外学术刊物上发表论文30余篇,出版专着,教材2部.18鱼雷技术利散射和衍射散射之间时,才有必要用到严格的米氏理论.我们所研究的水中气泡尺寸远大于波长
7、,以衍射散射为主.1.2水中气泡分布前向散射模型对于舰船尾流中的气泡场,在给定时刻的气泡分布,可视为气泡空间随机分布,其由大量的气幕层构成,每一气幕层都散射光.在每一气幕层面上随机分布着大小随机取值的气泡.把每一个气泡看作为一个散射基元,则在可见和近红外波段相干光照明的情况下,其散射基元比照明波长大得多,则对每一气幕层有:(1)所研究的气幕是由大量无规则分布的散射基元构成;(2)第k个散射基元在观察点的散射光波的振幅和相位统计独立;(3)在气幕中所含气泡数目很大的情况下,相位在区间[一兀,兀]内均匀分布
