CN111856489B - 一种基于激光多普勒的气泡尾流探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光多普勒的气泡尾流探测方法，包括：构建气泡尾流探测系统；在气泡尾流模拟区产生预设频率的声源信号，根据预设频率的声源信号确定气泡在气泡尾流模拟区内的运动速度；向水中发射连续单色光，将连续单色光分为两束平行相干光并聚焦射入气泡尾流模拟区，依据激光多普勒效应及气泡在气泡尾流模拟区内的运动速度得到差动多普勒频率；接收气泡尾流模拟区内动多普勒频率对应气泡散射后的散射光，并将散射光转换为电信号；接收电信号并对电信号进行频谱分析。本发明方法利用声波信号增强水下气泡的运动特性从而增强后向散射多普勒频移特征，同时利用差动多普勒探测原理探测尾流气泡多普勒频移信号，提高了水下探测目标的精度。

Description

一种基于激光多普勒的气泡尾流探测方法

技术领域

本发明属于激光尾流探测技术领域，具体涉及一种基于激光多普勒的气泡尾流探测方法。

背景技术

舰船在航行过程中由于螺旋桨产生的空化现象，海面波浪的反卷、破碎以及从吃水线部分卷入的大量空气，在舰船的尾部形成一条含有大量气泡的气幕带，通常称为气泡尾流，尾流的几何特性与其产生的舰船的几何尺度、航行速度、海面风速等因素密切相关。而气泡尾流的热学性质、形态性质、电磁性质、声学性质以及水动力学性质都会发生一定改变，由于这些性质的改变出现了相应的声尾流探测、红外热尾流探测、气体分析仪尾流探测、电磁尾流探测和光尾流探测等新的探测方法。因红外探测、气体分析仪尾流探测、电磁尾流探测等方法存在众多因素的限制，面对海洋复杂的探测环境，无法广泛应用，而声尾流探测由于其独特的优势发展最为成熟。其中，光尾流探测技术具有体积小、精度高、隐蔽性好等诸多优点，已经成为水中运动目标探测研究的热点。

在声尾流探测中，依据工作方式分为主动声探测和被动声探测。主动声探测是主动发射声波“照射”目标，而后接收目标反射的回波时间，以及回波参数以测定目标的参数。但是主动声探测自身需发射声波信号，发射的声波信号易被发现即隐蔽性差限制了其发展。被动声探测是通过接收目标产生的辐射噪声和水声设备发射的信号，对接收到的声信号进行处理计算来得到目标的相关信息。辐射噪声和水声设备发射的信号经远海水传播后衰减的十分微弱使得被动声探测信噪比低，为提高信噪比需更多的信号处理措施导致装置复杂且庞大，因此不能满足水下动态目标探测和水下武器制导的要求。光学探测，是通过检测激光在目标尾迹中传输时光学特性的变化来实现对动态目标的探测与跟踪。光学探测因为激光波长小、速度高、方向性好而具有灵敏度高、抗干扰能力强，探测距离比声学探测距离远等特点而备受关注。光学探测依据激光源和探测器的相对位置可以分为前向探测和后向探测。其中，前向探测方法在进行检测时，激光源和探测器位于待检测目标尾迹的两侧，虽然易于实现，但应用时探测装置必须行进在目标尾迹中，实用性较差；后向探测方法的激光源和探测器位于待检测目标尾迹的同一侧，与现有的探测体制相符，但实现起来有一定的难度，是目前尾流探测研究的重点。而根据检测光参量的不同，已经提出的光学探测可以分为激光强度探测和激光偏振探测。激光强度探测，包括激光散射强度探测、激光散射空间频谱探测、激光光斑探测；激光偏振探测则是利用激光在尾流区域传播，尾流对激光的退偏振作用实现尾流的光学探测。激光强度探测是研究的重点，而激光偏振探测常常与强度探测结合使用，以提高探测精度。

但是，由于水中气泡、杂质等对光波有强烈的吸收和散射，不管是激光强度探测，还是激光偏振探测，激光散射强度的波动较大，因此利用散射光强变化探测目标的方法探测精度较差，尚不能实用化，而利用光的散射空间频谱探测目标又会出现当目标尾迹中存在较少气泡的情况下，光散射空间频谱较小难以检测的问题，导致不能准确探测水下动态目标的气泡尾流。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于激光多普勒的气泡尾流探测方法。

本发明的一个实施例提供了一种基于激光多普勒的气泡尾流探测方法，该基于激光多普勒的气泡尾流探测方法包括以下步骤：

步骤1、构建气泡尾流探测系统，所述气泡尾流探测系统包括尾流气泡模拟装置、声波发生装置、激光发射装置、气泡尾流探测装置和信号采集分析装置；

步骤2、利用所述尾流气泡模拟装置形成气泡尾流模拟区，在所述气泡尾流模拟区内由所述声波发生装置产生预设频率的声源信号，根据所述预设频率的声源信号确定气泡在所述气泡尾流模拟区内的运动速度；

步骤3、利用所述激光发射装置向水中发射连续单色光，将所述连续单色光分为两束平行相干光并聚焦射入所述气泡尾流模拟区，依据激光多普勒效应及气泡在气泡尾流模拟区内的运动速度得到差动多普勒频率；

步骤4、所述气泡尾流探测装置接收气泡尾流模拟区内所述差动多普勒频率对应气泡散射后的散射光，并将所述散射光转换为电信号；

步骤5、所述信号采集分析装置接收所述气泡尾流探测装置输出的电信号，并对所述气泡尾流探测装置输出的电信号进行频谱分析。

在本发明的一个实施例中，所述尾流气泡模拟装置包括水槽、微孔陶瓷管阵列、气压泵和气压表，其中，

所述水槽盛接水，所述微孔陶瓷管阵列放置于所述水槽内的水中；

所述气压泵控制所述微孔陶瓷管阵列产生所述气泡尾流模拟区所需的气泡；

所述气压表显示所述气压泵输出气压情况。

在本发明的一个实施例中，所述声波发生装置包括信号发生器、定阻功放机、水下扬声器，其中，

所述信号发生器产生预设频率的电信号；

所述定阻功放机将所述信号发生器输出的电信号进行放大得到放大后的电信号并输出驱动信号；

所述水下扬声器放置于所述水槽内的水中，接收所述驱动信号并将所述定阻功放机输出的放大后的电信号转化为声信号作为所述预设频率的声源信号。

在本发明的一个实施例中，所述激光发射装置包括激光器、分光棱镜及第一聚焦透镜，其中，

所述激光器发射连续单色光；

所述分光棱镜将所述连续单色光分为两束平行相干光；

所述第一聚焦透镜将所述两束平行相干光聚焦射入到所述气泡尾流模拟区。

在本发明的一个实施例中，所述气泡尾流探测装置包括第二聚焦透镜、小孔光阑、光探测器，其中，

所述第二聚焦透镜接收气泡尾流模拟区内所述差动多普勒频率对应气泡散射后的散射光，并将气泡尾流模拟区内所述差动多普勒频率对应气泡散射后的散射光聚焦收集；

所述小孔光阑滤除所述第二聚焦透镜聚焦收集的散射光中的杂散光并以预设阈角传输滤除杂散光后的散射光；

所述光探测器将所述小孔光阑滤除杂散光后的散射光成像于光探测器表面并转换为电信号。

在本发明的一个实施例中，所述信号采集分析装置包括频谱分析仪，所述频谱分析仪接收所述光探测器输出的电信号，并对所述光探测器输出的电信号进行频谱分析。

在本发明的一个实施例中，根据所述预设频率的声源信号确定气泡在所述气泡尾流模拟区内的运动速度包括：

响应于所述声源信号的预设频率等于所述气泡尾流模拟区内气泡的谐振频率，确定气泡在所述气泡尾流模拟区内的运动速度。

在本发明的一个实施例中，所述气泡尾流模拟区内气泡的谐振频率为：

其中，r为气泡半径，ρ为周围介质的密度，P₀为作用于气泡的压力，γ为气体的等压比热和等容比热的比值。

在本发明的一个实施例中，确定的气泡在所述气泡尾流模拟区内的运动速度为：

其中，u为气泡在气泡尾流模拟区内的运动速度，u₀′为水槽内液体的流动速度，ω为水槽内液体的振荡频率，φ为微粒与气泡运动速度之间的相位差，τ为时间常数。

在本发明的一个实施例中，所述差动多普勒频率为：

其中，f_d为差动多普勒频率，u'为在声波传播方向上气泡在气泡尾流模拟区内运动速度u的速度分量，λ为激光光源的波长，α为两束平行相干光聚焦射入气泡尾流模拟区时之间的夹角。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供的基于激光多普勒的气泡尾流探测方法，利用声波信号来增强水下气泡的运动特性从而增强后向散射多普勒频移特征，从而有效提高探测距离，同时利用差动多普勒探测原理来探测尾流气泡多普勒频移信号，有效抑制了水体自身的散射光，在探测远距离目标尾迹时提高了信噪比，使系统抗干扰能力增强，进而提高了水下探测目标的精度。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于激光多普勒的气泡尾流探测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于激光多普勒的气泡尾流探测方法中气泡尾流探测系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的差动多普勒频移探测原理示意图；

图4为本发明实施例提供的未加入声源时的气泡尾流探测结果示意图；

图5为本发明实施例提供的加入声波频率为900Hz的声源时气泡尾流探测结果示意图；

图6为本发明实施例提供的加入声波频率为1500Hz的声源时气泡尾流探测结果示意图；

图7为本发明实施例提供的加入声波频率为2300Hz的声源时气泡尾流探测结果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

水面船舰及水下航行器等水下动态目标只要在水中运动，都会在水面或水中留下尾流，这些尾流是目标在水中运动对水的扰动和其推进器螺旋桨叶片对水扰动产生的尾迹。尾流气泡的存在使得尾流相对周围无扰动的水介质来说，光学特性物理特性都有较大差别，因而利用气泡对激光特性的影响进行探测，能够实现动态目标的判断与识别。如以激光为入射光源，使激光经过目标尾迹，并对激光后向散射光信号采集并进行频谱分析，则相对静水而言，信号多普勒频移谱的宽度、强度和面积会发生变化。一方面，随着动态目标的大小和运动速度不同，其产生尾迹的宽度和深度各不相同；另一方面，随着距目标的远近不同，尾迹中气泡的数量、速度分布也不同。因此检测激光在水中传输时后向散射多普勒频移谱的变化可实现对水中目标尾迹的后向光学探测。激光在水中传输时，光波在水中传输时，由于吸收和散射的存在，一方面后向散射光信号比较微弱；另一方面探测到的后向散射光大部分来自水体自身后向散射，这限制了后向探测的检测距离。基于上述存在的问题，请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于激光多普勒的气泡尾流探测方法的流程示意图。本发明实施例提供了一种基于激光多普勒的气泡尾流探测方法，该基于激光多普勒的气泡尾流探测方法包括以下步骤：

步骤1、构建气泡尾流探测系统，气泡尾流探测系统包括尾流气泡模拟装置、声波发生装置、激光发射装置、气泡尾流探测装置和信号采集分析装置。

具体而言，在气泡尾流探测时，请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种基于激光多普勒的气泡尾流探测方法中气泡尾流探测系统的结构示意图，本实施例首先构建气泡尾流探测系统，具体构建的气泡尾流探测系统包括尾流气泡模拟装置、声波发生装置、激光发射装置、气泡尾流探测装置和信号采集分析装置，其中，

尾流气泡模拟装置包括水槽、微孔陶瓷管阵列、气压泵和气压表，具体本实施例中水、微孔陶瓷管阵列放置在水槽中，微孔陶瓷管阵列与气压泵相连，气压泵控制微孔陶瓷管阵列产生气泡尾流模拟区所需的气泡，通过改变气压泵中的气压，从而控制气泡尾流模拟区气泡的数目和大小，并利用与气压泵相连的气压表对气压泵输出气压情况进行显示。通过调整微孔陶瓷阵列的位置，使得产生的气泡位于激光发射装置在气泡尾流模拟区形成的干涉场内。

声波发生装置包括信号发生器、定阻功放机、水下扬声器，具体本实施例启动水下声波发生装置，通过控制声波发生装置中信号发生器产生预设声波频率、幅值、波形类型的电信号，并将产生的电信号经过定阻功放机进行放大并产生驱动信号驱动水下扬声器，水下扬声器预先放置于水槽内的水中，接收定阻功放机发送的驱动信号，该驱动信号驱动水下扬声器将定阻功放机输出的放大后的电信号转化为声信号，并将该声信号作为预设频率的声源信号作用于气泡尾流模拟区。

激光发射装置包括激光器、分光棱镜及第一聚焦透镜，具体本实施例根据信号采集分析装置得到的激光后向散射多普勒频移信号，调节激光器工作电流的大小，使得激光器发出的一定功率的连续单色光。分光棱镜置于激光器出射口，将连续单色光分为两束平行相干光，第一聚焦透镜将分光棱镜分出的两束平行相干光束以一定夹角聚焦射入到尾流气泡模拟区，以在微孔陶瓷阵列上方水体中形成干涉场。

气泡尾流探测装置包括第二聚焦透镜、小孔光阑、光探测器，具体本实施例第二聚焦透镜接收气泡尾流模拟区内差动多普勒频率对应气泡散射后的散射光，将气泡尾流模拟区内差动多普勒频率对应气泡散射后的散射光聚焦收集，小孔光阑置于第二聚焦透镜的焦点处，用于滤除聚焦收集的散射光中的杂散光并以预设阈角传输滤除杂散光后的散射光，该预设阈角根据实际需要进行控制，预设阈角的控制可以减小光线发散，光探测器将小孔光阑滤除杂散光后的散射光成像于光探测器表面，并将散射光光信号转换为电信号。其中，气泡尾流探测装置中采用高响应速度、高灵敏度的光电探测器对激光的散射光信号进行信号转换，从而满足实际应用中实时检测的应用要求。

信号采集分析装置包括频谱分析仪，具体本实施例频谱分析仪快速接收气泡尾流探测装置中光探测器输出的电信号，并对光探测器输出的电信号进行频谱分析，以及频谱观测显示，从而获取了激光后向散射多普勒频移信号，进一步满足了实际应用中实时检测的应用要求。

步骤2、利用尾流气泡模拟装置形成气泡尾流模拟区，在气泡尾流模拟区内由声波发生装置产生预设频率的声源信号，根据预设频率的声源信号确定气泡在气泡尾流模拟区内的运动速度。

具体而言，本实施例通过步骤1中的气泡尾流模拟装置模拟产生水下航行器在水中运动时存在的尾流气泡，以及步骤1中的声波发生装置向尾流气泡装置形成的尾流气泡模拟区发射预设频率的声源信号，从而改变尾流气泡模拟区中气泡的运动状态。在尾流模拟区放置水下扬声器，水下声源向尾流气泡区辐射预设频率的声源信号，该声源将能量传递给尾流气泡，致使尾流气泡增加了机械能，发生机械振动，由此引起整个尾流气泡模拟区的气泡振动加剧。随着声波频率的增大尾流气泡振荡幅度和振速也随之增大。声源激励发出的特定频率声波对尾流中的气泡产生振动增强作用，气泡的运动状态在声波作用下发生变化。

实际水下航行器在海水中的声衰减系数经验公式为：

其中，a水下航行器在海水中的声衰减系数，单位为dB/km，f为声源信号的发声频率，考虑到水下航行器在海水中压力的大小也会引起声衰减系数的变化，随着声源深度的增加，声衰减系数逐渐变小，声源深度每增加100m，声衰减系数减小0.00667，则本实施例声衰减系数公式(1)更新为：

其中，h为声源深度。

本实施例气泡尾流模拟区内气泡的谐振频率为：

其中，r为气泡半径，ρ为周围介质的密度，P₀为作用于气泡的压力，γ为气体的等压比热和等容比热的比值，本实施例水中气泡ρ＝1g/cm³，γ＝1.41。

当声波驱动条件下气泡的运动状态发生改变，气泡在气泡尾流模拟区内中速度分量增多，则激光后向散射光的多普勒频移量也逐渐增大。当f＝f₀时，即水下声源信号的预设频率等于气泡尾流模拟区内气泡的谐振频率时，即气泡与水中微粒处于共振状态，气泡在声波的驱动下做简谐振动，此时确定的气泡在气泡尾流模拟区内的运动速度为：

其中，u为气泡在气泡尾流模拟区内的运动速度，u₀′为水槽内液体的流动速度，ω为水槽内液体的振荡频率，φ为微粒与气泡运动速度之间的相位差，τ为时间常数。

步骤3、利用激光发射装置向水中发射连续单色光，将连续单色光分为两束平行相干光并聚焦射入气泡尾流模拟区，依据激光多普勒效应及气泡在流场长中运动速度得到差动多普勒频率。

具体而言，步骤2确定了加入预设频率的声源信号对应的气泡在气泡尾流模拟区内的运动速度，请参见图3，图3为本发明实施例提供的差动多普勒频移探测原理示意图，通过步骤1的激光发射装置，依据激光多普勒效应，运动的散射体与激光相互作用会造成散射光的频移。如图1所示的是差动多普勒频移探测原理图，激光器射出的连续单色光经分光棱镜分为两束平行的相干光，光斑直径为两束平行相干光的间距为d，两束平行相干光由聚焦透镜聚焦于干涉区，它们以不同角度和方向入射到尾流气泡模拟区。由于散射粒子(比如气泡)的运动速度与两束相干光的波矢相对方向不同，则两束相干光在聚焦点发出的散射光多普勒频移分别为：

其中，f₁、f₂分别为两束相干光发出的光多普勒频移，f₀为激光器的辐射频率，v为散射粒子的运动速度，c为光速，k_s是散射粒子运动方向的单位矢量，k₁、k₂分别为两束相干光的波矢。则散射光在光电探测器上干涉得到差动多普勒频率为：

由于本实施例考虑到了声波发生装置发出的声源信号对差动多普勒频率的影响，将公式(6)更新为：

其中，f_d为差动多普勒频率，u'为在声波传播方向上气泡在气泡尾流模拟区内运动速度u的速度分量，λ为激光光源的波长，α为两束平行相干光聚焦射入气泡尾流模拟区时之间的夹角。

本实施例差动相干探测方法与直接光探测法相比，属于间接探测法，这种间接探测法比直接探测法精度高约8个量级，灵敏度更高(更逼近量子噪声极限)，间接探测法还具有比直接探测法检测距离更远的优势，而且差动模式下多普勒频移大小与散射光的方向无关，具有更强的抗干扰特性。

步骤4、气泡尾流探测装置接收气泡尾流模拟区内差动多普勒频率对应的气泡散射后散射光，并将散射光转换为电信号。

具体而言，步骤3获取了当前气泡尾流模拟区内差动多普勒频率对应的气泡散射后散射光，通过步骤1中的气泡尾流探测装置接收该散射光，并将该散射光转换为电信号。

步骤5、信号采集分析装置接收气泡尾流探测装置输出的电信号，并对气泡尾流探测装置输出的电信号进行频谱分析。

具体而言，本实施例通过步骤1中的信号采集分析装置接收步骤4气泡尾流探测装置转换输出的电信号，并对气泡尾流探测装置转换后的电信号进行实时频谱分析得到探测结果，该探测结果表明了当前水下动态目标的气泡尾流探测情况，同时激光发射装置可以根据该探测结果调节工作电流的大小，使得激光器发出更适合气泡尾流探测的连续单色光，用于后续气泡尾流探测。

为了验证本实施例提出的基于激光多普勒的气泡尾流探测方法的效果，本实施例通过以下实验加以验证说明：

激光发射装置中激光器采用He-Ne激光器，发射激光波长为632.8nm，输出功率约15mW，光束直径约1.3mm，光束发散角小于1mrad，偏振度500:1，光束经分光棱镜变为两束平行光，平行光经第一聚焦透镜聚焦，第一聚焦透镜采用焦距为90mm的凸透镜；尾流气泡模拟装置中水槽为长方体状，长度、宽度和高度分别为100cm、40cm、50cm，微孔陶瓷管阵列的微孔孔径为1～10μm，气压泵的功率为138W，最大风压为13kgf/cm²，气压表的量程为0～0.16MPa，最小精度为0.005MPa；气泡尾流探测装置中第二聚焦透镜采用焦距为90mm的凸透镜，使用SensL公司型号为SPMMini光探测器，光探测器的感光面积1×1mm³，增益系数为10⁶；信号采集分析装置中频谱分析仪使用Tektronix公司RSA5103B的实时频谱分析仪进行频谱分析。

实验时，首先向水槽中注入水，至水深覆盖到两光束汇聚点上方8cm左右，然后设定信号发生器Tektronix AFG3252C输出正弦声波到定阻功放机并将水下扬声器PABGM SX-450放入水槽内的水中，设定信号发生器输入声波频率范围为300Hz-3kHz，频率间隔为200Hz，每个频率得到的数据重复采集五次，最后设定实时频谱分析仪采集范围(0Hz-10kHz，显示带宽1Hz，分辨率带宽50Hz)开始测量。

请参见图4、图5、图6、图7，图4为本发明实施例提供的未加入声源时的气泡尾流探测结果示意图，图5为本发明实施例提供的加入声波频率为900Hz的声源时气泡尾流探测结果示意图，图6为本发明实施例提供的加入声波频率为1500Hz的声源时气泡尾流探测结果示意图，图7为本发明实施例提供的加入声波频率为2300Hz的声源时气泡尾流探测结果示意图。如图4所示为无声波时实时测量图，图5、图6、图7分别对应所加声波频率为900Hz、1500Hz、2300Hz的实时多普勒频移信息测量图，借助计算机软件对同一声波频率和同一振幅重复采集的五次数据取平均后作出相应的频谱图，并从频谱图中获取如表1所示的不同声波频率下，多普勒频移信号的峰值频率、峰值幅度、峰高特征参数。

表1不同声波频率下，多普勒频移信号的特征参数

声波频率/Hz	峰值频率/Hz	峰值幅度/dBm	峰高
				100	155.625	-62.96307	2.03693
300	302.5	-64.83925	5.16075
				500	500.3125	-60.46228	14.53772
700	700.9375	-65.20062	8.79938
				900	901.5625	-66.57273	9.42727
1100	1100.3125	-58.27897	16.72103
				1300	1298.125	-66.90738	9.09262
1500	1499.6875	-62.77229	14.22771
				1700	1700.9375	-64.2741	11.7259
1900	1900	-71.33786	5.66214
				2100	2102.8125	-71.32705	5.67295
2300	2300.3125	-66.59264	10.40736
				2500	2498.75	-68.49068	8.50932
2700	2702.5	-66.00945	11.99055
				2900	2900.625	-66.69892	10.30108

由表1峰值频率列可知，本实施例加入不同频率的声波后所得到的多普勒峰值频率基本都在误差范围内，接近所输入的声波频率；由由表1峰值幅度列和峰高列可知，本实施例分别在加入的声波频率为500Hz、1100Hz、1500Hz、1700Hz、2300Hz、2700Hz、2900Hz处多普勒频移信号最明显，尾流气泡对这些频率的声波最敏感。本实施例通过采集气泡尾流的多普勒频移信号的峰值频率、峰值幅度、峰高特征参数来判别目标气泡尾流是否存在，解决了传统激光尾流探测方法中尾流信号弱不易探测的问题，使得判断结果的可靠性得到了明显提高。

综上所述，传统的激光尾流探测方法，由于针对尾流气泡的检测方法中尾流气泡后向散射光信号相对弱，散射光的多普勒频移效果不明显，不易于检测，本实施例提出的基于激光多普勒的气泡尾流探测方法，相较于在气泡尾流探测系统，加入声波发生装置，通过声波发生装置向气泡尾流模拟区加入声波，由于预设频率的声源信号作用于尾流气泡模拟区，声源激励以声波形式传递到尾流气泡模拟区驱动尾流气泡运动状态发生改变，当激光到达尾流气泡模拟区时，受到声波调制作用的气泡散射光信号产生多普勒频移，反之，本实施例利用检测气泡散射光多普勒频移，可以间接得到尾流气泡的运动信息。受到声波调制的尾流气泡散射光信号的多普勒频移量更大、幅度更大，从而可以提高探测距离。此外，气泡尾流探测系统利用光的差动技术对光频移进行检测，能够从原理上约束水体本身的散射信号，而它所具有的高光增益特性又能进一步提高检测的信噪比，增大后向散射的有效探测距离。本实施例通过检测尾流气泡的激光后向散射多普勒频移特征的变化，利用声波驱动尾流气泡模拟区内的气泡、水分子等的振动，从而改变其运动状态来增强尾流气泡的散射特性；同时，光的差动技术对水体自身的散射进行抑制，降低了对光探测器灵敏度的要求，也在一定程度上提高了信噪比，使系统抗干扰能力增强，进而提高了水下探测目标的精度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于激光多普勒的气泡尾流探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、构建气泡尾流探测系统，所述气泡尾流探测系统包括尾流气泡模拟装置、声波发生装置、激光发射装置、气泡尾流探测装置和信号采集分析装置；

步骤2、利用所述尾流气泡模拟装置形成气泡尾流模拟区，在所述气泡尾流模拟区内由所述声波发生装置产生预设频率的声源信号，根据所述预设频率的声源信号确定气泡在所述气泡尾流模拟区内的运动速度；

步骤3、利用所述激光发射装置向水中发射连续单色光，将所述连续单色光分为两束平行相干光并聚焦射入所述气泡尾流模拟区，依据激光多普勒效应及气泡在气泡尾流模拟区内的运动速度得到差动多普勒频率；

步骤4、所述气泡尾流探测装置接收气泡尾流模拟区内所述差动多普勒频率对应气泡散射后的散射光，并将所述散射光转换为电信号；

步骤5、所述信号采集分析装置接收所述气泡尾流探测装置输出的电信号，并对所述气泡尾流探测装置输出的电信号进行频谱分析。

2.根据权利要求1所述的基于激光多普勒的气泡尾流探测方法，其特征在于，所述尾流气泡模拟装置包括水槽、微孔陶瓷管阵列、气压泵和气压表，其中，

所述水槽盛接水，所述微孔陶瓷管阵列放置于所述水槽内的水中；

所述气压泵控制所述微孔陶瓷管阵列产生所述气泡尾流模拟区所需的气泡；

所述气压表显示所述气压泵输出气压情况。

3.根据权利要求2所述的基于激光多普勒的气泡尾流探测方法，其特征在于，所述声波发生装置包括信号发生器、定阻功放机、水下扬声器，其中，

所述信号发生器产生预设频率的电信号；

所述定阻功放机将所述信号发生器输出的电信号进行放大得到放大后的电信号并输出驱动信号；

所述水下扬声器放置于所述水槽内的水中，接收所述驱动信号并将所述定阻功放机输出的放大后的电信号转化为声信号作为所述预设频率的声源信号。

4.根据权利要求1所述的基于激光多普勒的气泡尾流探测方法，其特征在于，所述激光发射装置包括激光器、分光棱镜及第一聚焦透镜，其中，

所述激光器发射连续单色光；

所述分光棱镜将所述连续单色光分为两束平行相干光；

所述第一聚焦透镜将所述两束平行相干光聚焦射入到所述气泡尾流模拟区。

5.根据权利要求1所述的基于激光多普勒的气泡尾流探测方法，其特征在于，所述气泡尾流探测装置包括第二聚焦透镜、小孔光阑、光探测器，其中，

所述第二聚焦透镜接收气泡尾流模拟区内所述差动多普勒频率对应气泡散射后的散射光，并将气泡尾流模拟区内所述差动多普勒频率对应气泡散射后的散射光聚焦收集；

所述小孔光阑滤除所述第二聚焦透镜聚焦收集的散射光中的杂散光并以预设阈角传输滤除杂散光后的散射光；

所述光探测器将所述小孔光阑滤除杂散光后的散射光成像于光探测器表面并转换为电信号。

6.根据权利要求5所述的基于激光多普勒的气泡尾流探测方法，其特征在于，所述信号采集分析装置包括频谱分析仪，所述频谱分析仪接收所述光探测器输出的电信号，并对所述光探测器输出的电信号进行频谱分析。

7.根据权利要求1所述的基于激光多普勒的气泡尾流探测方法，其特征在于，根据所述预设频率的声源信号确定气泡在所述气泡尾流模拟区内的运动速度包括：

响应于所述声源信号的预设频率等于所述气泡尾流模拟区内气泡的谐振频率，确定气泡在所述气泡尾流模拟区内的运动速度。

8.根据权利要求7所述的基于激光多普勒的气泡尾流探测方法，其特征在于，所述气泡尾流模拟区内气泡的谐振频率为：

其中，r为气泡半径，ρ为周围介质的密度，P₀为作用于气泡的压力，γ为气体的等压比热和等容比热的比值。

9.根据权利要求1所述的基于激光多普勒的气泡尾流探测方法，其特征在于，确定的气泡在所述气泡尾流模拟区内的运动速度为：

其中，u为气泡在气泡尾流模拟区内的运动速度，u′₀为水槽内液体的流动速度，ω为水槽内液体的振荡频率，φ为微粒与气泡运动速度之间的相位差，τ为时间常数。

10.根据权利要求9所述的基于激光多普勒的气泡尾流探测方法，其特征在于，所述差动多普勒频率为：

其中，f_d为差动多普勒频率，u'为在声波传播方向上气泡在气泡尾流模拟区内运动速度u的速度分量，λ为激光光源的波长，α为两束平行相干光聚焦射入气泡尾流模拟区时之间的夹角。