尾流气泡幕光谱特性研究

方雪丽,张建生

(西安工业大学 基础学院,陕西 西安,710021)

0 引言

近年来,随着各国海军力量的迅速发展,船舶隐身技术有了很大提升,也对各国探测外来船只提出了新挑战。舰船在水面航行过程中,其螺旋桨扰动周围海水会产生一条长长的尾流,尾流中有很多由大小不等的气泡组成的气泡幕,这条气泡幕带不仅有很长的距离,其持续时间可从几分钟到十数小时。尾流具有光学、声学及电磁特性等多种物理特性。相比其他物理特性,光具有传播速度快、抗干扰性强等优点,利用光学特性进行探测能够更加准确地判断出尾流是否存在,并根据尾流所反映的信息进行船舶位置判断。

在国外,1955 年Davis[1]最早开展了有关尾流气泡幕研究。20 世纪70—90 年代,Marston 团队[2-4]进一步研究了气泡的光散射特性。1994 年,Stramski[5]利用光学全息技术测出了尾流气泡幕的分布大小。2018 年,Takahashi 等[6]通过光散射技术,开发出了一种确定尾流气泡大小和浓度的方法。

国内针对舰船尾流的研究虽晚于国外,但已形成一定的研究成果。2001 年,由张建生[7]首次进行了尾流的光学特性研究,完成了实验室中气泡幕定量研究与真实尾流光学特性研究,设计完成了水下测试实验系统,并对真实尾流进行了光学特性的测量。2008 年,针对尾流气泡的前向散射光特性,孙春生等[8]利用Mie 散射理论,对不同气泡的散射能量进行计算与分析,获知气泡群的前向散射强度远小于后向散射强度,气泡表面附着的有机膜对前向散射的影响不大,对后向散射光强度显著增强。2013 年,针对尾流气泡幕后向散射偏振特性,杨郁等[9]利用Mie 以及蒙特卡罗的方法,分别研究了入射光偏振态、气泡幕散射系数以及尾流厚度对偏振态的影响。2015 年,张帆等[10]利用蒙特卡罗方法建立了气泡群散射模型,并分析气泡群散射强度以及模拟前、后向接收屏光强分布,最后搭建实验平台验证理论以及仿真结果,利用干涉法对尾流区域判断,为尾流探测提供了一种新的方式。2018 年,李能能[11]为解决传统船舶散射模型无法有效描述气泡感知能力的问题,设计了Mie 前向光散射的尾流模拟气泡分析模型,相比传统模型可有效提升尾流气泡幕在横纵方向的感知能力。2021 年,张瑞瑞[12]分析了船舶尾流光学检测技术的研究成果,提出基于频域理论的船舶尾流光学检测技术与工作原理,通过实验证实频域理论中的激光多普勒测量方法能够完成对船舶尾流的光学检测,从而准确确定船舶尾流位置。为了进一步完善舰船尾流的探测技术[13-15],文中提出一种新的尾流气泡幕光学特性探测方法,基于光纤光谱技术对尾流气泡幕进行光谱探究。搭建了光谱数据采集平台,并对气泡幕不同压强状态下的透射光谱进行了测量。

1 实验仪器及方法

1.1 实验仪器

文中采用光纤光谱采集系统来获取尾流气泡幕的透射光谱。实验系统由模拟气泡系统和光谱数据采集系统两部分组成。实验室模拟尾流系统主要有2 种: 一种采用船模制造尾流气泡幕;另一种采用特殊定制的微孔陶瓷管或不锈钢管与气泵相连接,将管置于水槽底部,利用气压来制造气泡幕,通过调节气泵气压的大小来获取不同浓度、不同大小的气泡。由于船模在实验室环境下无法固定,同时水池深度有限,船模吃水量有限,无法模拟出与真实尾流相近的气泡幕,所以文中采用微孔陶瓷管与气泵相连接的方式制造气泡幕。由于水介质有其固有的光学特性(如衰减、吸收和散射等),所以在光谱分析过程中要同时考虑气泡幕光谱测量结果和水的固有光学特性的影响。

实验系统由光源白炽灯、盛水装置玻璃水池、制造气泡幕微孔陶瓷管构成,采用光纤进行光路传输,最终通过光纤光谱仪和Oceanview 软件进行435～730 nm 的光谱采集,图1为系统原理图。表1 例举了系统各部分的型号及参数。

表1 光谱采集系统实验仪器型号及参数Table 1 Model and parameters of experimental instruments for spectrum acquisition system

图1 尾流气泡幕光纤光谱测量系统原理图Fig.1 Optical fiber spectrum measurement principle of wake bubble curtain

1.2 气泡幕变化过程

在实验室模拟的尾流气泡幕中含有大量气泡,气泡大小和形状随气压的改变而变化[16]。气泡按直径的不同分为小气泡(直径<1 mm)和大气泡(直径>1 mm)。小气泡在运动中会形成1 个较大的气泡,大气泡受到大的浮力之后快速上升,有些大气泡会在水面破碎,有一部分也会在上升过程中分解成小气泡,所以气泡不论大小,都会在运动中不断变化。

根据中国科学院西安光学精密机械研究所尾流气泡计算数据显示[7],直径约在0.15～3.67 mm 间的气泡形状接近球形,直径>3 mm 的气泡形状为椭球冠状或球冠状。随着气泡半径的变化,气泡数量也随之变化,气泡半径越小,气泡数量越多,这是由于半径较大的气泡会上浮至水面消失。尾流气泡幕图像如图2 所示。

图2 尾流气泡幕图像Fig.2 Wake bubble curtain image

图3为0.020 MPa 和0.035 MPa 下的气泡幕图。可以看出气体压强越大,气泡幕浓度越高。

图3 不同气体压强下的气泡幕Fig.3 Bubble curtain under different gas pressures

1.3 光谱数据采集

实验中所用的光纤光谱仪的光谱波段范围为200～850 nm,由于受环境以及光源本身波长范围的影响,200～435 nm 波段和730～900 nm 波段透射率变化波动范围较大,故选择435～730 nm 波段进行光谱数据分析。根据光谱强度的不同,调节积分时间等其他参数,并保证在实验过程中参数始终保持不变。其中系统积分时间为100 ms,扫描平均次数为15,滑动平均宽度为3。将水池中注入高40 cm 的水,光谱数据采集点选择距离水面15 cm的下方固定光纤探头,并在水池对面同样的位置放置光源,每间隔5 min 保存一次数据,结果取5 次测量数据平均值作为最终的光谱数据。实验过程中,为了尽量避免外界光源对光谱测量结果的干扰,将光纤探头紧贴水池,电脑屏幕背对实验水池,同时选择将实验室的窗户封闭,将测量系统周围用黑布遮挡,制造暗室环境,避免外界自然光的影响[17-20]。

2 透射光谱

2.1 基本理论

物体的透射率可表示为物体的透射光谱能量与初始光谱能量的比值,即

朗伯-比尔定律又称光的吸收定律,是吸光光度法的理论基础和定量测定的依据,描述了有色溶液对单色光的吸收程度与溶液浓度和光通过的溶液厚度之间的定量关系,应用于分子吸收光谱,表达式为

2.2 透射光谱特性分析

图4为0.1～0.6 MPa 不同气压下气泡幕在435～730 nm 波段内获得的透射光谱。由图可以观察到不同压强下的气泡幕透射光谱形状相似,存在1 个明显的特征峰。在435～730 nm 波段内,气泡幕透射率均为正值,0.6 MPa气压下气泡幕的透射率总体小于0.1 MPa 气压下气泡幕的透射率。

图4 不同气压下透射光谱原始光谱图Fig.4 Original transmission spectrum under different gas pressures

透射光谱不同压强下气泡幕在435～730 nm 波段内均呈现出逐渐增大的趋势,在435～650 nm 波段内缓慢增大,然后在650～730 nm 波段内迅速增大。通过实验可知: 在435～730 nm 波段内,同一实验环境下,不同压强会导致气泡幕的浓度变化,气压越大,气泡幕浓度越高,透射率随着气泡幕浓度的增加而减小,说明在该波段内,入射光始终保持不变的情况下,由比尔朗伯定律可知,随着气泡幕浓度的增加,对光的吸收增大,透射光强度减小,透射率减小。由于实验中气泡幕发生装置是微孔陶瓷管,当气泵压力较小时,连接的水槽中微孔陶瓷管出口气压相对较弱,所以气泡产生过程较慢,气泡密度也相对较小。当气泵压力很大时,由于微孔陶瓷管的孔径恒定,所以气泡运动会加速,单位时间内通过微孔的气泡量增加,且气泡半径增大。观察图4 中的数据发现,当气压增加时,由于光源通过气泡幕的反射、折射以及散射效应使得透射光减少,气压越大,透射率越小。除了气泡幕浓度对透射率的影响,水对光选择吸收特性也造成透射光谱在不同波段呈现出不同透射率,在不同的光谱区域有明显的变化,在可见光波段内,由于光在空气中的衰减不同,空气中长波穿透比较大,与可见光全波段光谱透射率相比,由图4 可以明显看出430～550 nm 的透射率小于600～730 nm波段内的透射率。

3 结束语

文中对尾流气泡幕的透射光谱进行测量,采用光纤光谱仪对水池中静置超过24 h 的水在固定点进行光谱的明暗校正,其次在实验中使用气泵连接微孔陶瓷管,分别在0.1～0.6 MPa 不同压强下,通过气泵制造的气泡幕需保持3 h 以上的稳定,再通过光纤光谱采集系统对其进行透射率光谱测量,在此过程中选取的测量点与静水时选取的点位相同。实验研究发现,在0.1～0.6 MPa 不同压强时气泡幕光谱的透射率虽然不同,但形状大致相近。随着压强的变化气泡浓度改变,对透射率数值有很大影响,气压每增加0.1 MPa,透射率平均降低1%左右。

综上所述,可知采用光纤光谱技术对尾流气泡幕进行光谱检测是可行的,从而为尾流气泡幕的探测提供了新的方法。未来可将尾流气泡幕光谱的实验室结果与实际海中航行的船舶尾流气泡幕光谱数据进行对比;不同海域因地理条件以及水中含有无机物和有机物含量的不同,对光谱测量结果造成的影响也不同,接下来将根据这些信息进一步判断船舶的位置,同时在光源的选择上也应进一步改进。