基于激光光斑漂移的尾流探测方法研究

摘要

现有的舰船尾流光学探测方法尚不能满足远距离和高精度探测的要求。激光制导、激光雷达的应用发现大气湍流的存在会引起激光传输方向的改变，在接收端出现激光光斑漂移的现象，对激光制导、激光雷达的应用来说是有害的。但从另一个角度来看，激光光斑的漂移量携带了光束通过区域湍流的尺度、强度等信息。 通过分析舰船尾流形态可知，尾流由气泡和湍流组成，基于此，本文提出基于激光光斑漂移的尾流探测方法。由于尾流中湍流比气泡存在的时间更长，因此通过对湍流的探测可以提高对尾流的探测距离。 利用气泡的米氏散射和湍流的光散射理论，分别对气泡和湍流引起的光斑漂移机理进行分析。在理论研究的基础上，在实验室搭建舰船尾流模拟系统和光学探测装置，实验研究了相对静水、水中有气泡、湍流以及同时有气泡和湍流几种条件下的光斑漂移，分别测量并计算出各种条件下光斑漂移的概率密度分布。结果表明，不同的尾流特征(静水、气泡、湍流和气泡加湍流)光斑漂移量的分布不同，说明基于激光光斑漂移的光尾流探测方法不但可行，而且有可能区分不同的尾流特征。 尾流除了引起传输的激光产生光斑漂移外，还会影响光束质量，引起光强空间分布的变化，为了准确和快速确定光斑中心并计算其漂移量，提出一种确定光斑中心位置的算法，并设计了基于激光光斑漂移的尾流探测系统实时处理方案。

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第一章绪论

1.1论文产生的背景和意义

1.2舰船尾流探测发展现状

1.3本文的主要工作

第二章舰船尾流的特征

2.1尾流模型

2.1.1船首尾流

2.1.2船尾尾流

2.2尾流的气泡特征

2.2.1气泡的产生和分布

2.2.2气泡的光学特性

2.3尾流的湍流特征

2.3.1湍流的概述

2.3.2湍流的光学特性

第三章舰船尾流引起激光光斑漂移的机理

3.1光斑漂移现象

3.1.1光斑漂移的成因

3.1.2尾流对光斑漂移的影响

3.2气泡引起的光斑漂移

3.2.1 Mie散射理论

3.2.2气泡引起的光斑漂移分析

3.3湍流引起的光斑漂移

第四章光斑漂移的实验研究

4.1实验系统

4.2实验方法

第五章实验数据处理和分析

5.1实验结果

5.1.1光斑漂移量概率密度分布

5.1.2实验结果分析

5.2光斑中心位置算法

5.3光尾流探测实时处理方法

第六章结论

致谢

参考文献

作者在读期间的研究成果