基于Mie散射特性的微气泡激光探测仿真与实验研究∗

2022-06-21王羽佳宗思光

舰船电子工程 2022年5期

王羽佳宗思光张鑫

（海军工程大学武汉 430000）

1 引言

水面舰艇在航行时会将部分空气带入水中，加上螺旋桨的空化会在其尾部出现一条充满气泡的尾迹，可在舰船尾后延伸很远并可看做静止目标，且保持时间较长，尾流的尺度很大，很难有假目标模拟［1］。如能通过水下激光探测实现对尾流的远距离探测，就相当于在茫茫大海中锁定了舰船，进而实现对舰船的追踪和精确打击。在实际应用中，探测尾流运用的比较广泛的技术是声呐探测，因为声在水中传播的距离较远，能量损耗较小，鱼雷上可以安装特种小型声呐实现精确制导和自动寻的［2］。但是，水下环境复杂，声在水中传输易受到噪声的干扰，回波信号的质量也会受到影响。

Preliminary Study on Different Sowing Depth of Rhizoma Atractylodis___________________________________LIU Li,GAO Che,CHEN Wang Xiang 73

激光可以弥补声呐的不足，在水中传输不易受到干扰且方向性好。蓝绿激光比其他波长的电磁辐射有更强的海水穿透能力［3～4］，可以利用它来探测舰船尾流气泡，从而确定舰船航迹。

本文提出了利用钼丝电解水产生的微小气泡模拟舰船尾流带中的气泡且利用其后向散射特性来研究水下激光微气泡探测的方法，利用蒙特卡罗仿真验证其可行性后，尝试搭建了水下脉冲激光探测微小气泡系统并进行了室内的模拟实验。

2 水下气泡后向散射光信号仿真

粒子形状大小各不相同，其尺寸远大于光子尺寸时，可应用米氏散射理论［5～6］建立模型。气泡属于微小半径粒子，但其尺寸远大于光子尺寸，故光子发射到气泡上被散射的过程可应用米氏散射理论。由米散射公式可计算出光波长为532nm时，不同气泡半径条件下的分布散射强度。图1是波长532nm，气泡半径为10μm和30μm条件下的散射强度图。

图1 单个气泡的光散射强度分布

从图1可以看出，粒子的散射强度在0°有相当大的峰值，这说明粒子对光的前向散射是非常强的，但是在180°也可以看到有较强的后向散射，这说明可以利用气泡对激光的后向散射探测水中的微气泡。

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其中ξ为(0，1)间均匀分布的随机数。准直光束穿过传输介质的能量变化如图2所示。

实验水槽长18m，宽1.5m，右侧壁有50cm见方的玻璃制观测窗口，激光器发射光与气泡层后向散射回波信号均可从观测窗口发射和接收。在PC端设置激光波长、功率后可打开激光器发射脉冲激光，回波信号进入激光器后经光纤进入接收盒，接收盒可将光信号转换为电信号，经PC端调节增益大小后，将微弱信号放大，得到电流增益，之后经过BNC线进入示波器，示波器将回波信号的波形展示出来，而后在PC端软件上进行处理。试验系统如图4所示。

在理想条件下，光子在水中运动时，粒子均匀分布。在控制激光波长、发射角、能量后发射激光束，激光束进入水中，通过计算光子的运动路程和光子的运动状态即可了解光子的运动状态。在这里假设一个光子与介质微粒发生的相邻两次碰撞之间存在一个自由运动过程，光子与介质或微粒只发生碰撞［7］。

图2 准直光束穿过传输介质

由表1可知，气泡置于3m时，其近场回波信号均值与最大值都是远大于水体本身的回波信号的；而气泡置于3.6m与4m处时，其近场回波信号均值与最大值较水体本身回波信号没有太大变化，产生这种现象的原因是距离较远的气泡产生的回波信号无法进入近场接收系统的视场内，近场接收到的回波信号仍是水体本身的回波信号。

图3 单个光子两次碰撞散射示意图

之后，可利用概率统计的方法，计算单个光子的散射角。以此类推，掌握了光子每次自由运动过程的信息，就能获得其在介质中运动的清晰轨迹。

3 激光探测水下微气泡实验系统

由准直光束在介质中传输的郎伯定律和概率统计原理，即可得到计算光子运动自由程lp的随机抽样方法：

图4 武汉水槽模拟实验系统

钼丝电解法是将钼丝放入水中通过电解产生微小气泡，气泡产生速度快，尺度微小，在水中保持时间较长，利于模拟尾流带中主要探测的气泡形态，且更易检测本文中所用实验系统的性能。钼丝电解产生微气泡如图5所示。

记录水中存在微气泡时一分钟内的回波信号幅值情况，可得出回波信号的均值与最大值，如表1所示。

图5 激光照射钼丝电解产生的气泡幕

水中放置气泡幕时产生的回波信号为气泡后向散射产生的回波信号与水体的回波信号的两部分的叠加。

图6 回波信号数据回放

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分别记录的水体背景回波信号与不同距离处气泡幕回波信号如图6所示。

单个光子两次碰撞散射过程如图3所示。

此事闹得沸沸扬扬，人尽皆知，成为那一年街头巷口纷纷传颂的大新闻。众人议论纷纷，并对这件事的结局做了多种猜测，等待故事的进一步发酵。

表1 回波信号均值与最大值（单位：V）

气泡置于4m时，其远场回波信号均值与最大值都远大于水体本身的回波信号，是气泡回波信号与大体积水体回波信号的叠加；而气泡置于3m与3.6m处时，其远场回波信号均值与最大值较水体回波信号要小，产生这种现象的原因是气泡幕遮挡住了部分激光束，使其无法到达较远的水体，故而水体本身产生的回波信号较没有气泡时急剧减少，两者叠加后总体回波信号幅值变小。

综上，本套系统在3m与4m处分别利用近场接收系统与远场探测系统探测微小气泡性能良好，回波信号较水体背景回波信号有大幅度增加。

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