近180°水中悬浮颗粒物体积散射函数测量

针对目前国内外现有的体积散射函数测量系统在后向小角度散射测量上的局限性,提出了基于离轴反射式光路的近180°水体体积散射函数测量方法并研发了实验室测量系统。系统采用离轴抛物面反射镜,将后向小角度散射光和入射激光分离,减小了系统后向小角度散射的测量盲区,而且能够获取全方位角的后向小角度散射光信号。选取聚苯乙烯标准粒子用于测量系统定标检验,结果表明,定标后的测量系统能够完成在173°~179.4°范围内水中悬浮颗粒物体积散射函数的测量,角度分辨率为0.01°。经对比分析,体积散射函数测量值与米散射理论值具有很好的一致性,验证了系统测量近180°水体体积散射函数的准确性和可行性。

海底声散射特性进展及展望

为了对海底声散射特性进行系统分析和规律总结,本文梳理了国内外有关海底声散射特性的研究进展。介绍了海底声散射的基本概念,并对界面粗糙散射及沉积物体积散射的理论模型进行了总结;从高频(>10 kHz)和中频(1~10 kHz)2个方面阐述了国内外典型海底声散射特性测量实验,同时对当前具有代表性的海底声散射实验结果进行了归纳分析。最后剖析和探讨了当前海底声散射研究中存在的问题和未来发展方向,并指出海底中频及宽掠射角声散射模型研究在水下攻防应用中尤为紧要。

基于Fournier-Forand和Henyey-Greenstein体积散射函数的水中光脉冲传输仿真分析

结合Fournier-Forand和Henyey-Greenstein体积散射函数,利用Monte Carlo法建立水中激光脉冲传输特性分析模型。采用该模型分析了散射体相对折射率和尺寸分布对水中光脉冲传输特性的影响。研究表明:光脉冲在水中传输时,随着散射体相对折射率的增大和小尺度散射体相对含量的增加,脉冲展宽增加,光波前向散射减弱且空间分布扩展加剧,到达角分布更离散。与传统水中光脉冲传输仿真模型相比,此模型更加有效。

黄海中部高频反向体积声散射的观察

本文利用频率为２００ｋＨｚ的垂直探鱼仪对黄海中部夏季反向体积声散射进行了观察，对散射回波信号作了录音。发现晚上散射很强，白天则很弱。给出了经计算机处理后不同深度散射信号随时间的变化。

基于Sahu-Shanmugam和Fournier-Forand体积散射函数的水下激光传输特性分析

结合Sahu-Shanmugam和Fournier-Forand体积散射函数,使用蒙特卡罗方法建立水下激光传输信道模型,利用该模型分析了接收端的光束扩展特性。研究了三种典型水域下,接收视场角和接收面直径对光束功率密度的影响,以及不同接收距离下光束功率密度的分布特性。结果表明:随着水域散射系数的增大和传输距离的增加,会加剧光束分布扩展;随着接收面直径的增大,光束功率密度的变化趋势逐渐减小,光束功率密度幅值随着接收视场角的增大而增加;随着传输距离的增加,光束功率密度分布逐渐离散。这些结果为水下定位或水下接收机等设计提供参考。

夏季加拿大海盆海冰边缘区声体积后向散射强度研究

声信号的体积后向散射强度是声传播过程中一个关键的参数。海冰边缘区的声体积后向散射强度研究对深入认识北极声场环境有着十分重要的意义。本文利用中国第六次北极科学考察获取的数据资料研究了海冰边缘区声体积后向散射强度特性。结果表明:加拿大海盆海冰边缘区是声体积后向散射强度的明显过渡区。无冰海面(海冰密集度小于15%)海洋深层水的声体积后向散射强度明显大于密集海冰区域的海水(海冰密集度大于50%)。讨论了声体积后向散射强度与海冰融化之间的关系,造成融冰区声体积后向散射强度增大的原因是水下悬浮泥沙、浮游生物等悬浮物质增加。根据海冰密集海域的海水后向散射强度弱的特点,对北极下放式声学多普勒测流仪(LADCP)观测的设置提出建议。

油砂混合水体后向散射系数光谱贡献分离算法Ⅰ:实验理论

在石油类污染水体中,油会吸附在悬浮颗粒物表面而形成一个双层结构,影响水体后向散射系数光谱特征,分离水体石油类物质与悬浮颗粒物对后向散射系数光谱的贡献,能提高水体石油类污染后向散射理论模型的准确性。将美国Wyatt公司生产DAWN HELEOSⅡ18角度散射测量仪、美国SEQUOIA公司生产的LISST-100xB粒径仪和美国Hobilabs公司的后向散射仪HydroScat-6Sprctral Backscattering Sensor(HS6)联动观测,构成后向散射系数光谱测量系统,分别测量不同水样的散射强度电压值、粒径分布及粒径浓度、后向散射系数等参数,提出了利用Mie散射理论计算未知折射系数物质的体散射函数β(λ,θ)的新思路及分离后向散射系数光谱的算法。选择已知折射系数m的石英砂作为颗粒物与采自不同油田区域的油污水进行配比,获取不同特性水样,测定相关数据。首先,根据Mie散射理论计算出各样本对应的水体体积散射函数β(λ,θ);其次,建立的DAWN HELEOSⅡ18角度激光散射仪测定散射强度对应的电压值V(θ)转化为体积散射函数β(λ,θ)的关系式;再次,根据最优化方法估算出油砂混合的等效折射系数mos以及油的折射系数mo;最后,利用β(λ,θ)和估算的mos值及mo计算出各类样本的后向散射系数bb(λ),分别建立油污水bb,o(λ)和石英砂bb,s(λ)与油砂混合总bb,os(λ)的分离算法。分离算法的建立一方面提高了水体石油类污染后向散射理论模型的准确性,另外一方面拓展了米散射理论在海洋水色遥感中的应用。

后向散射对激光水下成像的影响研究

为研究后向散射对水下成像的影响,采用辐射传输理论建立了激光水下成像后向散射理论模型,提出了表征后向散射对目标识别影响程度的水下成像后向散射影响系数,给出了距离选通成像后向散射功率及后向散射影响系数的解析表达式。利用Matlab进行了数值模拟分析,得出了水下成像后向散射随探测水深及水衰减系数的变化规律,证明了考虑后向散射对成像质量的影响时,水衰减系数远大于探测水深的影响,说明了非对称因子的取值对成像质量具有较大的影响。

深海海底山引起的混响杂波联合预报方法

针对深海复杂海域的主动探测混响杂波干扰的联合工程预报问题,本文基于三维射线-简正波理论建立了深海海底山引起的混响杂波联合预报方法,将海底山当作一类具有强散射特征的体积散射源,提出了对海底山的体积散射函数在水平和垂直维度上进行网格划分的数值积分方法。研究了不同水平方位,不同地形条件下的海底混响和海底山杂波强度特征。实现了小起伏水平海底和海底山地形的深海海底混响和海底山杂波的统一预报。研究结果表明:海底山的体积散射源经过水平和垂直维度的划分后,可以和水平海底的小尺度散射过程形成有效耦合,而海底山杂波的时间尺度和包络强度分别受海底山的水平宽度和垂直高度影响。通过海上实验数据比对,验证了本文所提预报方法的准确性。

前向散射对激光水下成像的影响

为研究前向散射对水下成像的影响,利用辐射传输理论建立了激光水下成像前向散射理论模型,提出了水下成像前向散射影响系数,用以表征前向散射对水下成像质量的影响程度,并给出了前向散射功率及前向散射影响系数的解析表达式。利用Matlab进行了数值模拟分析,得出了水下成像前向散射光功率和影响系数随探测水深及水衰减系数的变化规律,说明了非对称因子的取值对成像质量具有较大的影响。

海底三维散射模型仿真研究

海底声散射强度是浅海混响预报的一个重要物理量。采用Jackson复合粗糙度模型研究了非均匀海底界面的声散射问题,对模型进行了理论推导和仿真计算,利用已发表的海底散射强度实测数据与模型仿真结果进行对照,验证了模型的正确性,并就海底沉积物类型和海底声学特性参数对海底反向散射强度的影响进行了分析。

全自动水下光散射仪的研制

海水对光的散射是比较复杂的，这是因为不仅海水本身对光产生散射，其中悬浮的粒子也引起散射．海水本身散射较有规律性，变化也不大，但各种粒子的散射规律复杂，且随粒子性质、大小、数量的不同而有很大变化。由于各海区的海水成分不同，所含有的悬浮粒子的组成、大小、浓度不同．并且随着时间而变化，因此海水对光的散射是随海区和时间而变化的。故有必要对各海区的光散射特性作调查测量．

水下光学监控系统照明方式的研究

提出了一种确定水下光学监控系统中照明光源方向角和安装位置的方法.利用光在水中的传输特性,分析了传输距离、体积散射函数、散射角和小体积元的影响,以及照明光源不同方向角产生的不同照明效果.据此提出了光源方向角的确定原则,即在满足监控区域要求的前提下,照明光源的方向角应该选取散射角最大的方向.在视场角为45°时,光源方向角应为67.5°.根据监控范围边界的要求以及光源方向角,确定光源安装位置.实际应用结果表明,此方法可以很好地满足水下光学监控系统的要求.

水下影像衬度的理论分析

依据海洋光学的散射理论,给出了水下影像衬度的理论计算公式,并提出了改善水下影像衬度的方法.结果表明:对称性双光源与单色光源相比影像衬度提高2倍多,理论分析和实验结果相符.表明采用对称性照明系统是提高水下影像衬度的一种有效方法.

海底密度梯度对底回波信号空间相关特性的影响研究

研究了海底表层沉积物的垂直密度梯度对底回波空间相关特性强度的影响。底回波散射截面与空间相关特性间的关系为:随入射角的增大,回波散射截面下降得越快,底回波空间相关特性越强。因此,将密度-深度模型引入海底高频回波模型进行回波仿真,计算回波的空间相关函数,通过分析密度梯度对底回波散射截面大小的影响,考察其对底回波空间相关特性强度的影响。从仿真分析结果可以看出,海底表层沉积物密度梯度对空间相关特性的影响较为显著,随着密度梯度的增大,回波散射截面变大且随入射角的增大下降趋势变快,空间相关半径变长,空间相关特性变强。

宽带声学多普勒流速剖面仪回波信号模型分析

宽带声学多普勒流速剖面仪(Broadband Acoustic Doppler Current Profile,BBADCP)通过接收海洋体积混响信号进行频偏估计,体积散射模型的准确性决定了理论仿真的正确性。针对BBADCP的信号模型特点,建立了散射体单元散射叠加效应的海洋体积回波时空特性及散射模型,推导了叠加噪声后散射回波的具体表达式。通过散射回波的离散化,把各参数(幅度、频率、调制)分离开来,单独考虑各参数对测速精度的影响。利用复协方差算法对水流流速进行估计,分析了信噪比、水流流速、紊流效应等因素对BBADCP流速估计的影响,验证了体积散射模型的正确性。

水下激光脉冲传输时域展宽仿真分析

激光脉冲是无线光通信信号在水下传输的主要表现形式,并且多重散射效应会引起激光脉冲时域波形的展宽。为了解决时域展宽问题,研究采用小角度近似处理方法,通过Fournier-Forand和Henyey-Greenstein散射相函数,推导出激光脉冲时域波形表达式,并在一定水质条件下模拟不同脉冲宽度的激光脉冲传输不同距离后的时域展宽。通过脉冲展宽因子可以选择合适的脉宽,从而改善水下激光通信时隙间的串扰,降低接收端的误码率。

南海鸢乌贼水声学测量和评估相关技术研究

利用双频（38 kHz、120 kHz）Simrad EK60和频率分别为70 kHz和120 kHz的2部Simrad EY60科学探鱼仪于2013年获得的南海鸢乌贼（Sthenoteuthis oualaniensis）声学调查资料,对鸢乌贼的目标强度（TS）和空间分布、浮游动物的干扰、频差技术的应用等内容进行了分析。结果表明,以灯光罩网取样对鸢乌贼TS进行现场测量是可行途径;自然条件下鸢乌贼声学映像不明显,光诱条件下鸢乌贼开始聚集,22：00前主要分布于10～50m和55～80m水层,22：00后主要分布于10～35m、50～75m和115～155m水层;浮游动物和深海鱼类是鸢乌贼声学探测的重要干扰,尤其是夜间,设置积分阈要考虑不同时间段的影响;频差技术是鸢乌贼声学映像鉴别的重要方法,应深入研究。

渔业声学数据后处理中积分阈的选择与优化Ⅰ:目标离散分布状态下积分阈的确定

积分阈是渔业声学数据后处理中对回声信号进行积分的临界值,是参与积分的最弱回声信号的体积反向散射强度。通过合理设置积分阈,能在保留目标信号的同时有效地消除噪音和非目标回声信号,从而提高渔业资源声学评估的准确性。为研究目标离散分布状态下选择和优化积分阈的方法,推导了单体目标体积反向散射强度与目标强度之间的函数关系,提出了利用鱼类目标强度-体长经验公式和目标强度现场数据确定积分阈的两种方法,并以黄海鳀的调查为例,对上述两种积分阈确定方法进行了应用探讨,为渔业资源声学评估数据处理中目标离散分布状态下积分阈的选择与优化提供了有效参考。

利用ADCP和LISST—100仪观测悬浮物浓度的研究

利用黄河口海床基声学多普勒流速剖面仪(ADCP)的周日观测资料对悬浮物浓度进行了反演,反演过程中综合考虑了球面扩散、声学近场的非球面扩散、海水和悬浮颗粒的吸收衰减以及其他因素对回声信号的影响,结果表明在粒径保持相对稳定的情况下,利用ADCP仪回声强度反演悬浮物浓度具有较高的精度。结合现场激光粒度仪(LISST-100)测得的粒径分布信息在反演过程中考虑了粒径修正,重点讨论了观测区域粒径变化对结果的影响,结果表明粒径的剧烈变化会降低体积后向散射强度与悬浮物浓度之间的相关性。大颗粒物质的存在使计算得到的悬浮物浓度偏高,粒径修正虽然在一定程度上消除了这种影响,但线性拟合的相关性并未提高。