CN109187436A - 机载尾流气泡偏振特性后向散射测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的尾流气泡偏振后向散射特性测试系统，属于偏振探测识别领域，包括脉冲偏振激光发射装置、尾流气泡模拟池、尾流气泡探测装置及计算机系统，所述脉冲偏振激光发射装置可以产生多种偏振角的偏振脉冲激光，并以一定角度照射到尾流气泡模拟池的水面上形成后向散射光，后向散射光由尾流气泡探测装置接收，经计算机系统对所获得的偏振信息进行处理。本发明建立的机载尾流气泡偏振特性后向散射测试系统，可以测试不同俯仰角度接收到的偏振信息，定量分析尾流气泡对偏振特性的影响规律，可进行多次实验，屏蔽外界干扰，得到在尾流气泡环境下的偏振传输规律，极大地提高了实验的精确性。
Description
技术领域
本发明涉及尾流气泡偏振后向散射特性测试系统，属于偏振探测识别领域。
背景技术
我国海域辽阔，海岸线1.8万公里，领海面积300万平方公里。长期以来，由于受监测技术的限制，我国一直难以实现对海域内的有效监视与管控。军事方面，时常有外国水下航行器，舰船等非法进入我国海域航行；2007年3月，澳大利亚海军潜艇“法恩柯布”号，秘密潜航进入靠近我国的“军事敏感水域”，监视我国潜艇部队；民用方面，海上船只搜救工作需要更加高效，迅速，有序的开展。海面波浪的破碎以及船体吃水线部分大量空气的卷入，会在航行体尾迹中产生大量的尾流气泡。当舰船驶过较远距离后,半径为10-150um的气泡生存时间可达几十分钟；粒径大于150μm的在几个数十秒后浮升水面而破灭；粒径在20μm左右的气泡在舰船航迹中停留时间为半小时。因此发展适用于大面积海域范围内的航行器尾迹探测技术是十分必要的。
在尾流偏振探测方面，国外开展的研究较早，在1990年，发展为用物理光学方法研究了单个儿气泡的临界角散射(82.8°)，布鲁斯特角散射(106.2°)和辉光散射(180°)以及脏气泡散射，研究结果表明，由于气泡的存在大大的影响了光在水中的传播特性。2002年，Kokhanovsky发表在Appl.Opt上的一篇文章采用光线追迹法研究了多分散气泡群光散射偏振特性,为气泡群的偏振探测提供了理论依据,但该研究没有考虑气泡群的多重散射效应。2013年印度空间科学与技术研究所在随机散射场成像中取得成果，其成像原理是基于正交偏振光的相关性质。散射场中携带有物的相关信息，可以根据随机散射场中偏振状态的不同来识别物质的本体，其原理可用于计算尾流偏振。国内对于此项研究开展较晚，2000年开始研究气泡光散射特性和偏振特性，在理论分析、实验验证等方面开展了研究，2001年，中船重工集团第705所，研究了尾流的光学性质，开创了国内利用光学手段研究尾流的先河。研究了偏振光束在水中的传输和散射，以及气泡的Mie散射的规律，并设计实验进行验证分析。2006年，华中科技大学采取几何光学方法和蒙特卡洛模拟方法分别研究了水中单个气泡体散射函数和气泡群的后向散射光特性，但仅是强度探测并未分析其偏振特性。2013年，西北工业大学提出一种探测偏振激光尾流的方法，此方案实施的可行性是基于尾流对于偏振光的气泡的散射作用，但是其实验模型只是对于回波信号强弱的测试。
综上所述，国内目前对尾流气泡的激光探测技术的研究主要集中在尾流激光散射回波信号的强度特征方面,以及如何根据信号的强度特征来分辨尾流气泡群的存在，未充分挖掘尾流气泡群的偏振特征信息，系统可靠性、探测虚警率有待提高。缺少机载尾流探测相关实验系统，仅能从侧面对回波信号进行探测，但实际机载环境是从海面进行探测的，可消除玻璃对尾流气泡偏振特性探测的影响。
可见传统测定方法模拟真实情况单一，可适用的范围小，不可定量分析。所以，本领域亟需一种具有定量分析能力，能够模拟尾流气泡偏振特性探测的系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足和缺陷，本发明提供一种适用范围广、操作方便、效率高、精度高、可重复的尾流气泡偏振特性测试系统。
机载尾流气泡偏振特性后向散射测试系统，其特征在于，包括：脉冲偏振激光发射装置、尾流气泡模拟池、尾流气泡探测装置及计算机系统，所述脉冲偏振激光发射装置与尾流气泡探测装置安装在位于尾流气泡模拟池上方的光源支架上；所述光源支架为圆弧形导轨，脉冲偏振激光发射装置与尾流气泡探测装置沿光源支架移动，获得不同入射角度与接收角度；
所述脉冲偏振激光发射装置用于产生偏振脉冲激光，并以相对于水平面呈0°～180°角度照射到尾流气泡模拟池的水面上形成后向散射光；
所述尾流气泡模拟池用于模拟水下航行器下潜不同深度行驶时所产生的尾流气泡浮升到水面时的情况；
所述尾流气泡探测装置用于接收后向散射光，并探测后向散射偏振特性数据；
所述计算机系统分别与脉冲偏振激光发射装置、尾流气泡模拟池及尾流气泡探测装置相连接。
所述脉冲偏振激光发射装置包括沿光路依次设置的脉冲激光器及偏振光产生装置；所述脉冲激光器用于产生脉冲激光；所述偏振光产生装置与计算机系统连接，偏振光产生装置由沿光线传播方向顺次布置的衰减片、起偏片、波片及扩束器组成。
所述尾流气泡模拟池包括尾流气泡发生装置、高速摄像机及标尺，尾流气泡发生装置用于产生尾流气泡，标尺用于确定尾流气泡发生装置下潜深度，高速摄像机对尾流气泡进行拍摄获得尾流气泡的大小。
所述尾流气泡探测装置包括检偏装置、散射强度测量装置及偏振相机，后向散射光一部分经过检偏装置后进入散射强度测量装置，另一部进入偏振相机；偏振相机用来对水面的尾流气泡进行偏振成像，获取其偏振图像信息；所述散射强度测量装置与偏振相机分别与计算机系统连接。
在所述光源支架上设有角度标识，相对水平面夹角从0°开始以10°为间隔增加至180°。
所述尾流气泡的粒径大小在10μm～150μm之间。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
1、本发明建立的机载尾流气泡偏振特性后向散射测试系统，可以模拟水下航行器在不同下潜深度，不同气泡密度的尾流气泡浮升，并实时记录尾流气泡变化数据，便于总结尾流气泡物理特性与偏振特性之间的规律。
2、本发明建立的机载尾流气泡偏振特性后向散射测试系统，可以采集尾流气泡的偏振图像与尾流偏振强度信息，并实现对尾流气泡圆偏振光信息的获取，提升探测对比度。
3、本发明建立的机载尾流气泡偏振特性后向散射测试系统，可以从水面进行尾流气泡偏振特性的探测，消除了水箱玻璃的不利影响，并且更加接近真实机载平台探测海面模式。
4、本发明建立的机载尾流气泡偏振特性后向散射测试系统，可以测试不同俯仰角度接收到的偏振信息，定量分析尾流气泡对偏振特性的影响规律，可进行多次实验，屏蔽外界干扰，得到在尾流气泡环境下的偏振传输规律，极大地提高了实验的精确性。
附图说明
此处的附图说明用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明实施例中机载尾流气泡偏振特性后向散射测试系统的结构框图；
图2为本发明中脉冲偏振激光发射装置的结构框图；
图3为本发明中尾流气泡探测装置的结构框图。
图中各标记如下：1-脉冲偏振激光发射装置，11-脉冲激光器，12-偏振光产生装置，121-衰减片，122-起偏片，123-波片，124-扩束器，2-尾流气泡模拟池，21-尾流气泡发生装置，22-高速摄像机，23-标尺，3-尾流气泡探测装置，31-检偏装置，32-散射强度测量装置，33-偏振相机，4-计算机系统，5-光源支架。
具体实施方式
下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明保护主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
本发明提出了一种机载尾流气泡偏振特性后向散射测试系统，如图1所示，包括脉冲偏振激光发射装置1、尾流气泡模拟池2、尾流气泡探测装置3及计算机系统4，所述的脉冲偏振激光发射装置1可以产生多种偏振角的偏振脉冲激光，并以一定角度照射到尾流气泡模拟池2的水面上形成后向散射光，后向散射光由尾流气泡探测装置3接收，经计算机系统4对所获得的偏振信息进行处理。脉冲偏振激光发射装置1与尾流气泡探测装置3位于尾流气泡模拟池2的上方的光源支架5上，为了便于对入射激光角度进行调整，在光源支架5上设有角度，相对水平面夹角从0°开始以10°为间隔增加至180°从而获得不同入射角度与接收角度的偏振特性规律。
所述计算机系统4分别与脉冲偏振激光发射装置1、尾流气泡模拟池2及尾流气泡探测装置3相连接。
如图2所示，所述脉冲偏振激光发射装置1包括脉冲激光器11及偏振光产生装置12，所述的脉冲激光器11产生的脉冲激光进入偏振光产生装置12，偏振光产生装置12与计算机系统4连接，偏振光产生装置12由沿光线传播方向顺次布置的衰减片121，起偏片122，波片123及扩束器124组成，用于产生偏振光。
如图1所示，所述尾流气泡模拟池2可以模拟水下航行器下潜不同深度行驶时所产生的尾流气泡浮升到水面时的情况，尾流气泡模拟池2包括尾流气泡发生装置21，高速摄像机22及标尺23，脉冲偏振激光发射装置1发出的偏振信息照射在尾流气泡模拟池2的水面上形成后向散射光，后向散射光进入尾流气泡探测装置3中，尾流气泡发生装置21产生一定密度的尾流气泡，通过标尺23确定下潜深度，同时可选择采用高速摄像机22对尾流气泡进行拍摄获得一定密度的尾流气泡大小。
如图3所示，所述尾流气泡探测装置3包括检偏装置31,散射强度测量装置32及偏振相机33，经过尾流气泡模拟池2的水面形成的后向散射光，一部分后向散射光经过检偏装置31后进入散射强度测量装置32，另一部分后向散射光进入偏振相机33；偏振相机33用来对水面的尾流气泡进行偏振成像，获取其偏振图像信息。所述散射强度测量装置32与偏振相机33分别与计算机系统4连接。
机载尾流气泡偏振特性后向散射测试系统的测试方法，包括以下步骤：
步骤一、操作人员选取脉冲偏振激光发射装置1与尾流气泡模拟池2之间的角度，调整脉冲偏振激光发射装置1，设置出射偏振光的偏振状态；
步骤二、操作人员通过控制计算机系统4，控制尾流气泡模拟池2，设置尾流气泡产生深度，加压强度，开启尾流气泡发生装置21，产生一定深度的不同气泡密度的尾流气泡，粒径大小在10μm～150μm之间；
步骤三、脉冲偏振激光发射装置1发出脉冲偏振光，实现实验状态；开启脉冲偏振激光发射装置1中的脉冲激光器11，脉冲激光器11发射的脉冲激光进入偏振光产生装置12，依次经过衰减片121，起偏片122，波片123及扩束器124后进入尾流气泡模拟池2；
步骤四、尾流气泡探测装置3可以探测后向散射偏振特性数据，并将获得的偏振图像信息与偏振特性信息记录在计算机系统4中，从而分析并获得尾流气泡的后向散射偏振特性。
实施例1
若要对深度50cm，一定气泡密度的尾流进行偏振特性研究，具体步骤如下：
步骤一、通过计算机系统4调节尾流气泡发生装置21在50cm深度位置，并开启尾流气泡发生装置21产生一定气泡密度的尾流，气泡密度大小可以通过高速摄像机22进行拍摄，满足实验要求后开始实验；
步骤二、调节位于光源支架5上的脉冲偏振激光发射装置1与尾流气泡探测装置3之间的角度，为需要的测试角度；
步骤三、使脉冲偏振激光发射装置1输出一定脉冲的532nm激光，进入偏振光产生装置12，依次经过衰减片121，起偏片122，波片123及扩束器124后进入尾流气泡模拟池2，在尾流气泡模拟池2的水面上形成后向散射光，后向散射光进入尾流气泡探测装置3，一部分后向散射光经过检偏装置31进入散射强度测量装置32，另一部分后向散射光进入偏振相机33；
步骤四、通过计算机系统4分析进入散射强度测量装置32与偏振相机33的偏振数据与偏振图像，得到尾流气泡对偏振特性的影响情况。
显然，本发明的上述实施方式仅仅是为清楚地解释本发明所作的举例，并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (6)
1.机载尾流气泡偏振特性后向散射测试系统，其特征在于，包括：脉冲偏振激光发射装置(1)、尾流气泡模拟池(2)、尾流气泡探测装置(3)及计算机系统(4)，所述脉冲偏振激光发射装置(1)与尾流气泡探测装置(3)安装在位于尾流气泡模拟池(2)上方的光源支架(5)上；所述光源支架(5)为圆弧形导轨，脉冲偏振激光发射装置(1)与尾流气泡探测装置(3)沿光源支架(5)移动，获得不同入射角度与接收角度；
所述脉冲偏振激光发射装置(1)用于产生偏振脉冲激光，并以相对于水平面呈0°～180°角度照射到尾流气泡模拟池(2)的水面上形成后向散射光；
所述尾流气泡模拟池(2)用于模拟水下航行器下潜不同深度行驶时所产生的尾流气泡浮升到水面时的情况；
所述尾流气泡探测装置(3)用于接收后向散射光，并探测后向散射偏振特性数据；
所述计算机系统(4)分别与脉冲偏振激光发射装置(1)、尾流气泡模拟池(2)及尾流气泡探测装置(3)相连接。
2.根据权利要求1所述的机载尾流气泡偏振特性后向散射测试系统，其特征在于：所述脉冲偏振激光发射装置(1)包括沿光路依次设置的脉冲激光器(11)及偏振光产生装置(12)；所述脉冲激光器(11)用于产生脉冲激光；所述偏振光产生装置(12)与计算机系统(4)连接，偏振光产生装置(12)由沿光线传播方向顺次布置的衰减片(121)、起偏片(122)、波片(123)及扩束器(124)组成。
3.根据权利要求2所述的机载尾流气泡偏振特性后向散射测试系统，其特征在于：所述尾流气泡模拟池(2)包括尾流气泡发生装置(21)、高速摄像机(22)及标尺(23)，尾流气泡发生装置(21)用于产生尾流气泡，标尺(23)用于确定尾流气泡发生装置(21)下潜深度，高速摄像机(22)对尾流气泡进行拍摄获得尾流气泡的大小。
4.根据权利要求3所述的机载尾流气泡偏振特性后向散射测试系统，其特征在于：所述尾流气泡探测装置(3)包括检偏装置(31)、散射强度测量装置(32)及偏振相机(33)，后向散射光一部分经过检偏装置(31)后进入散射强度测量装置(32)，另一部进入偏振相机(33)；偏振相机(33)用来对水面的尾流气泡进行偏振成像，获取其偏振图像信息；所述散射强度测量装置(32)与偏振相机(33)分别与计算机系统(4)连接。
5.根据权利要求4所述的机载尾流气泡偏振特性后向散射测试系统，其特征在于：在所述光源支架(5)上设有角度标识，相对水平面夹角从0°开始以10°为间隔增加至180°。
6.根据权利要求3所述的机载尾流气泡偏振特性后向散射测试系统，其特征在于：所述尾流气泡的粒径大小在10μm～150μm之间。
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