三维非均匀介质中的光传输多要素分析研究

发布时间：2020-05-27 16:17

【摘要】：光在三维非均匀介质传输的过程中,光波的(偏折、偏振、相位、方向、振幅、波长等)多种特征要素能够反映出光线传输过程的大量信息,并且非均匀介质对光的吸收、散射、折射、反射等过程同样会影响光的传输规律,因此开展对三维非均匀介质中的光传输多要素的分析研究具有重要意义。本文选取大气激波绕流场、海水两类典型三维非均匀介质作为研究对象,分别对大气激波绕流场以及非均匀海水介质中的光传输过程进行了分析研究,获得了光在两类非均匀介质中多特征要素及变化规律,研究结果对发展新型探测、跟踪技术具有重要价值。基于Runge-Kutta光线追迹法建立了三维非均匀介质中的光传输模型。对于大气激波绕流场中的光传输过程,采用Runge-Kutta光线追迹的数值方法进行光学建模,研究并总结了高温、高压等复杂环境下非均匀大气介质的光学折射率模型,提出了三维非均匀流场的折射率梯度插值方法,并通过几何光学理论验证了RungeKutta光线追迹模型的可行性和准确性。高速飞行器大气激波绕流场的光线偏折特性及纹影成像研究。通过Fluent软件模拟获得了高速飞行器在典型工况下的大气激波绕流场,基于流场网格中任意一点的折射率和折射率梯度,采用Runge-Kutta光线追迹法对激波绕流场中的光线偏折轨迹进行数值模拟,并分析了飞行马赫数、飞行海拔高度、入射光波长以及初始入射角度对光线偏折程度的影响,同时完成了某高速飞行器在城市、沙漠、海洋等背景环境下飞行时的激波纹影结构的灰度成像。典型区域非均匀海水介质中的激光传输特性研究。建立了激光在海水中传输时光子与悬浮粒子的碰撞散射、水体的吸收、大气/海水界面的折射和透射、以及碰到海底、目标表面的朗伯反射等过程的传输模型。采用蒙特卡罗法模拟了激光在三类典型海水中回波信号的时空特性,研究了激光光子的不同散射次数对总的回波信号的影响,结果表明激光的单次散射对总的回波信号贡献最大。分析了中国近海四大海域清洁海区的水体特征,对比研究了不同海域水体对激光水下探测过程的影响。对于受扰动海水中大量存在的飞沫和气泡,根据Mie散射理论获得了飞沫层和气泡层的吸收和散射系数,并采用对飞沫、气泡浓度随机生成的方法,分别研究了飞沫层和气泡层的吸收、散射特性对激光后向回波信号时空特性的影响。
【图文】：

领域的研究和发展。目前各国的侦察、探测系统主要采用雷达、红外、电子、可见光、声波等方式，现有对目标的探测和识别技术主要是基于目标的自身发射和吸收然而当目标本体喷涂隐身材料或处在复杂的背景环境中，可能导致探测系统接收到的信号太弱而被背景杂波信号淹没，或被目标自身的伪装所掩盖，这就会导致传统的探测侦查手段无法有效地识别目标。实际上当目标飞行器在大气层中高速飞行时，一方面由于飞行速度太高，目标本体部件与附近大气发生剧烈的摩擦，对大气造成动力学扰动，，并与大气自由来流之间产生真实气体效应而形成高温、高压的激波绕流场，另一方面在目标的飞行过程中会在飞行器尾部喷出大量的尾焰，并且飞行的路径会形成一道清晰的尾迹，通常观察到的尾迹可分为凝结尾迹和扩散尾迹，如图 1-1 所示，这几方面的综合作用使得目标飞行航迹上的扰动流场和周围大气流场信息相比是有区别的，这个区别主要体现在大气组分、压力、温度、密度等方面的不同，间接导致了大气激波绕流场与周围大气折射率分布的不同，当探测光线穿过大气扰动流场时就会发生偏折的现象，导致光线传输路径与无扰动时相比是有区别的，使探测器中所形成的目标探测图像发生偏移，这就为目标的反隐身探测技术提供了一种新的手段。

图 1-2 NASA 高速目标激波国外对于飞行器尾迹流场的吸收特性在成凝结尾是一种由发动机排气的水蒸气凝结层中形成的孔洞。F.S. Sechrist 等人在 19在红外波段是容易看到的，但卫星可见光大地背景下才可以。在 3.53-3.93 微米通道12 月 10 日索米气象卫星使用三个不同波，其中 3.74 微米通道较为清晰的获得了飞
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O439

【参考文献】

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本文编号：2683800