1 海军工程大学 电子工程学院, 湖北 武汉 430034
2 海军航空大学 青岛校区, 山东 青岛 266041
为了提高激光光尾流制导距离和探测信噪比，研究不同距离、不同气泡尺度、不同气泡数密度和不同气泡层厚度的气泡目标的后向散射特性具有重要的理论和应用价值。采用蒙特卡洛仿真和室内实验研究了前述舰船尾流气泡目标的激光后向散射特性。结果表明：近距离的气泡要比远距离的气泡更容易被检测到；在气泡数密度为102~108 m−3，气泡层厚度大于0.05 m时，大尺度和小尺度气泡始终存在回波信号，气泡层厚度小于0.05 m时无回波信号，此时，气泡层厚度特性对气泡后向散射的影响最大；在气泡数密度为109 m−3，气泡层厚度为0.05 m以下时，大尺度气泡回波信号脉冲宽度会展宽。在这种情况下，气泡数密度和尺度特性对气泡后向散射的影响最大。搭建了水下典型气泡尺度下的激光后向散射测量系统，验证了不同舰船尾流气泡目标特性对激光后向探测系统的影响。本文研究成果可为舰船尾流激光探测工程提供支撑。
舰船尾流 蒙特卡洛 后向散射 目标特性 ship wake Monte Carlo backscattering target characteristics
1 海军工程大学 电子工程学院， 武汉 430034
2 海军航空大学 青岛校区， 山东 青岛 266041
3 哈尔滨工程大学 船舶工程学院， 哈尔滨 150000
在实际舰船尾流激光探测过程中，激光探测系统与目标气泡层之间会存在杂质(气泡群、悬浮粒子)，导致气泡回波信号信噪比降低。为了提高实际舰船尾流探测的信噪比，采用蒙特卡洛方法，仿真模拟了不同气泡层特性遮挡的情况，通过改变遮挡气泡层的厚度、数密度来探究其对目标气泡回波特性的影响，仿真得到: 当遮挡气泡层存在时，回波信号会明显降低，且降低趋势随着遮挡气泡层厚度和数密度的增加而更为剧烈。搭建了实验室条件下的模拟舰船尾流激光探测系统，对不同气泡层特性遮挡的情况进行了验证，得到了遮挡效应会随着气泡层的厚度、数密度增大而不断变强的变化规律。对测试数据进行归一化处理，实现了仿真与实验的相互验证，可为舰船尾流激光探测工程化提供支撑。
舰船尾流 激光探测 复杂气泡场 ship wake laser detection complex bubble field
海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430034
舰船尾流激光探测跟踪是水下航行器对舰船进行探测、识别、跟踪的新手段。论文基于舰船尾流分布特性、气泡目标特性，采用蒙特卡洛仿真方法，实现了多尺度、宽数密度、大厚度舰船尾流气泡群的后向散射回波信号特性仿真，得到了水下航行器载激光探测系统在搜索、跟踪阶段信号的变化趋势，以及不同目标舰船的激光后向回波信号变化强度，可有效模拟激光探测系统对舰船尾流目标特性的真实跟踪状态。对于大型船只，当激光探测系统位于尾流之下时，航行器距舰船目标越近，尾流气泡激光回波越强，脉冲宽度展宽幅度越大；当激光探测系统位于尾流之中时，航行器距舰船目标越近，尾流气泡激光回波越弱，脉冲宽度变窄幅度越大。探测系统位于尾流之下时与探测系统位于尾流之中时，信号变化相反。小型船只信号变化趋势基本与大型船只保持一致，但尾流激光探测回波强度变低。开展了湖泊环境下船舶尾流激光探测跟踪试验，当探测系统在尾流之下时，大型船只尾流激光回波信号信噪比高，小型船只尾流激光难以检测。探测系统位于尾流之中时，大小船只尾流激光探测系统都可实现有效探测。论文可为舰船尾流探测实际工程应用提供支撑。
舰船尾流 激光探测 目标跟踪 蒙特卡洛 湖泊试验 仿真模拟 ship wake laser detection target tracking Monte Carlo lake experiment simulation 红外与激光工程
2023, 52(3): 20220507
海军工程大学电子工程学院，湖北 武汉 430034
舰船尾流气泡具有尺度范围大、稀疏、离散等特征。利用蓝绿激光的海水穿透性能以及气泡对激光的后向散射特性，可以实现舰船尾流气泡的远场检测。舰船尾流的稀疏、离散特征导致气泡的激光散射回波信噪比极低，对光学接收处理系统及尾流信号处理方法带来了困难与挑战。建立了舰船尾流气泡的激光后向散射模型，通过蒙特卡罗仿真验证了不同水质、不同气泡距离和不同尺度气泡的激光后向散射特性，设计了可抑制近场水体强散射干扰的水下气泡激光测试分析系统，实现了激光能量与雪崩光电二极管接收增益间的匹配调节。针对室内和湖泊环境，开展了不同水质和光电探测参数下的尾流气泡检测性能测试，通过对数据进行统计处理分析得到了舰船尾流气泡的激光探测特征规律。设计的水下气泡激光测试分析系统可以实现对舰船尾流气泡的有效探测，为舰船尾流探测系统在不同水质环境下的工程应用提供了理论及数据支撑。
海洋光学 舰船尾流 蒙特卡罗 后向散射 仿真研究 实验研究
针对舰载机着舰阶段甲板运动和舰尾流造成的控制难度大以及着舰精度低的问题, 提出了舰载机“魔毯”着舰直接力控制方法, 提高了飞行轨迹的响应速率和响应带宽。直接升力由襟翼与升降舵配合产生, 且直接升力操纵面主控轨迹, 而平尾通过保持迎角来辅助控制轨迹。油门通道采用速度恒定的动力补偿方式进行控制。将该控制方法与传统控制方法对比仿真, 加入甲板运动和舰尾流的干扰, 仿真实验表明“魔毯”着舰直接力控制方法的轨迹修正速度较快, 着舰精度较高。
舰载机 “魔毯” 直接升力 进场动力补偿 甲板运动 舰尾流 carrier aircraft magic carpet direct lift approach power compensation deck motion ship wake
针对当前探测器距离尾流较近时目标回波信号淹没在水体散射信号中, 以及对低密度、微小气泡群较难探测的问题, 通过对尾流散射光的斯托克斯参量特征进行研究, 可全面反映光经过尾流散射后的完全偏振光、 部分偏振光全非偏振的特征。仿真计算了尾流中微小气泡在不同半径、不同散射角条件下斯托克斯散射矩阵的变化, 并对比了水分子的散射特征, 研究分析发现: (1) 不同大小尾流微气泡的斯托克斯散射特征既有相似之处, 也有一定的差异; (2) 微气泡的散射参量, 与水分子相对应参量比较, 差异更加明显, 水分子的散射参量不存在震荡现象且散射特征稳定。利用斯托克斯参量进行光尾流特征分析, 信息量较全面, 光散射特征差异明显, 证实了其用于尾流信号分析、探测的可行性。
尾流 偏振 散射 ship wake polarization scattering 红外与激光工程
2018, 47(2): 0206003
1 中国人民解放军91336部队， 河北 秦皇岛 066326
2 海军工程大学兵器工程系， 湖北 武汉 430033
3 海军工程大学动力工程学院， 湖北 武汉 430033
在海面行驶时，舰船后面会形成一条清晰可辨且持续时间很长的尾流区， 其长度可达数千米。利用红外成像技术进行尾流探测已成为世界上各大** 强国重点发展的一项**侦察技术。首先，从空间分辨率和温度分辨率两方面考虑，推导出了舰 船尾流的红外探测条件。然后基于红外测温原理，推导出了海水非温度分层条件下舰船尾 流与周边海水之间的等效温差的表达式。最后，以阀值信噪比和目标等效条带数为基础，得出了 舰船尾流的红外探测概率。研究结果表明，在海水非温度分层条件下，只有当探测天顶角较大时， 才能以一定概率探测到尾流；而且随着天顶角的增大，探测概率逐渐提高。
红外探测 非温度分层 舰船尾流 探测概率 infrared detection non temperature stratification ship wake detection probability
1 镇江船艇学院 船艇动力指挥系，江苏 镇江 212003
2 海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033
舰船驶过海面后会形成一条长度可达数千米且持续很长时间的尾迹区。这种显著特征为利用尾迹波的红外特征来探测舰船提供了依据。从舰船尾迹区特点出发，实现了尾迹波的可视化仿真。在Cook-Torrance光照模型的基础上建立了适用于舰船尾迹波的红外成像模型。采用射线跟踪算法，并综合考虑太阳辐射、天空背景辐射和大气传输等环境因素的影响，得到了不同探测条件下舰船尾迹波的红外成像特征。结果表明：俯仰角较小时海面整体较暗，舰船尾迹波特征明显；俯仰角较大时海面整体较亮，舰船尾迹波特征减弱；开尔文尾迹的成像特征受气温变化影响较小，湍流尾迹在低俯仰角低气温时为一条暗带，高气温时为一条亮带；海面风速增加，开尔文尾迹最终会无法分辨，湍流尾迹成为唯一可识别的舰船尾迹波特征。
红外特征 舰船尾迹波 射线跟踪 红外探测 开尔文尾迹 光照模型 infrared characterization ship wake ray tracing infrared detection Kelvin wake illumination model
提出了基于CMOS图像传感器探测前向激光近轴的散射横面角和散射纵面角的概念. 使用CMOS采集了模拟气泡幕前向散射光动态图像序列，通过计算每帧灰度图像行和列像元均值将其可以用一个列向量和行向量表示，从而图像序列可以用一个图像序列矩阵描述. 实验模拟了压强0.005 MPa和0.01 MPa产生的气泡幕，通过计算两种压强产生的气泡幕前向光散射图像序列的横向灰度均值和纵向灰度均值，定性分析了100帧图像序列的灰度分布和演化特点，并定量分析了5帧连续图像的动态变化范围和相关性. 分析CMOS探测气泡幕前向散射光动态图像序列实验结果表明，随着压强增大，产生气泡幕尺度增大、密度增加、上升速度加快，导致图像序列横向和纵向散射光灰度变化范围增加，并且相邻图像帧之间变化波动幅度增大.
尾流 气泡幕 前向光散射 像元 Ship wake Bubble film Forward light scattering CMOS CMOS Pixel
从Mie散射理论出发,利用单气泡散射理论模型研究了激光前向散射特性以及激光前向散射光轴周围激光照度分布状态。选用波长为632.8 nm的激光，在不同介质和不同压强下测量并分析了气泡幕的散射光照度。研究表明，激光前向散射光主要分布在离光轴0.588°的范围内，其沿激光光轴呈轴对称分布，并且沿光轴方向截面分布为高斯分布；在考虑水体自身散射时，0.006 MPa、0.008 MPa和0.010 MPa下，各个散射角被散射掉的光大概占激光前向散射照度的35%、45%和55%，可得到无论考虑水体自身散射与否，激光前向散射光与压强皆成反比。
气泡 尾流 近轴散射 前向散射 尾流自导 bubbles ship wake paraxial scattering forward scattering wake homing
