微气泡散射光信号探测系统研究

论文总字数：23798字

摘 要

水下航行器螺旋桨的空化作用会产生大量微小气泡组成的气泡幕，即尾流。利用尾流气泡的光学特性探测水下航行器目前已成为一个十分重要的研究方向，其光学特性的研究与应用对于水下航行器的追踪探测具有重大的意义。本文通过对尾流气泡光学特性的研究分析，提出了一种微气泡散射光信号探测系统。

首先从理论方面阐述了尾流气泡的产生原因，对水下航行器的影响，接着对尾流气泡的分布特性、声学特性以及光学特性进行了总结分析，重点从光散射理论的基础上介绍了尾流微气泡的光学特性。

在尾流气泡光学特性的基础上，提出了一种尾流微气泡散射光信号探测系统。在实验室运用自主设计搭建的探测系统对气泡发生器产生的尾流气泡进行研究实验，该探测系统可成功探测到持续尾流与调制尾流气泡产生的散射光信号，验证了从光学特性角度探测尾流气泡的可行性。

关键词： 尾流，散射光，光学特性，气泡，连续激光

Study on Detecting Scattered Light of Micro Bubbles

Abstract

Cavitation effect of underwater vehicle’s propeller will produce air bubble curtain formed by a large number of micro air bubbles which called wake.Using the optical specialty of wake bubbles to detect underwater vehicle has become a very important research direction,and the research and application of the optical specialty for the underwater vehicle’s detection is of great significance.This thesis analyzed the optical specialty of wake bubbles and propose a kind of detection system based on scattering light signal micro air bubble .

Firstly,the thesis expounds the causes of wake bubbles from many aspects of theory and the impact on the underwater vehicle,then summarizes and analyzes the distribution characteristics of wake bubbles, acoustic properties of wake bubbles and optical specialty of wake bubbles.The thesis emphasis on the optical specialty of micro bubbles.

The thesis proposes a detection system based on scattering light signal of wake micro bubble.We use the independent design of detection system to research on wake bubbles produced by the bubble generator in the laboratory.The detection system could detect the scattering light signal of lasting wake bubbles and modulated bubbles which verifies the feasibility of detecting wake bubbles from the angle of the optical specialty.

Key words Wake，Scattering light，Optical specialty，Bubble，Pulsed laser

目 录

摘 要 I

关键词 I

Abstract II

Key words II

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 微气泡光学探测的优势 1

1.3 水下微气泡光学探测研究现状与进展 2

1.3.1 国外水下微气泡光学探测研究现状与进展 2

1.3.2 国内水下微气泡光学探测研究现状与进展 2

1.4 本论文主要研究内容 3

第二章 微气泡的特性 4

2.1 尾流的简介 4

2.2尾流的分布特性 5

2.2.1气泡的运动速度和尺寸变化 5

2.2.2 尾流气泡的分布区域与数密度 5

2.3 尾流的声学特性 6

2.4 尾流的光学特性 7

2.4.1 光散射理论 7

2.4.2 尾流气泡的光散射特性 8

第三章 微气泡光散射探测系统的总体设计和实现 9

3.1 微气泡探测原理与系统介绍 9

3.2 探测系统的方案设计及各部分介绍 9

3.2.1 激光光源部分介绍 9

3.2.2 微气泡发生与气泡调制系统 10

3.2.2.1 微气泡发生装置 10

3.2.2.2 微气泡调制系统 10

3.3.3 光电转换探测器 11

3.3.4 微小信号电路部分设计 11

第四章 信号探测与噪声分析 16

4.1 实验探测结果处理与分析 16

4.2 噪声分析 19

第五章 总结与展望 20

5.1 论文总结 20

5.2 研究展望 20

参考文献（References） 21

致谢 23

1. 绪 论

1.1 引言

众所周知，地球上最庞大的水体是海洋，其实际面积高达3.6亿平方公里。浩瀚无垠的海洋为我们的生活提供了丰富的资源宝藏。因此，海洋世界的研究与探索对于人类社会的进步与发展显得尤为重要。

随着科技的发展和人类的进步，海洋开发技术日益重要，因此水下航行器水下资源探测方面扮演着及其重要的作用^[1]。 当水下航行器在海底行驶时，在水中前进、上升或下降时，船体与海水波浪之间发生相互碰撞，螺旋桨的快速旋转而导致空化作用以及吃水线附近卷入很多空气致使水下航行器前后及两侧产生很多微小气泡，即船舰的尾流气泡。螺旋桨的高速转动在船舰后方形成了充满气泡的尾流区域，由于水中船舰尾部尾流气泡的大小、密度、压缩率等参数与静水中有着明显的区别，这使得海洋中尾流微气泡的物理特性与其他部分明显不同，为通过探测尾流中的气泡来识别追踪水下航行器提供了可能^[2]。

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