李召龍，遲 衛(wèi)，陳明榮

(1.海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊(duì)，遼寧大連 116018;2.海軍大連艦艇學(xué)院航海系，遼寧大連 116018）

艦船尾跡濁度計(jì)算方法

李召龍1，遲 衛(wèi)2，陳明榮1

(1.海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊(duì)，遼寧大連 116018;2.海軍大連艦艇學(xué)院航海系，遼寧大連 116018）

闡述了尾跡的濁度、消光系數(shù)及尾跡氣泡數(shù)密度之間的關(guān)系，研究了尾跡濁度的計(jì)算方法，并給出1個(gè)計(jì)算實(shí)例。利用單個(gè)氣泡的Mie散射理論，對(duì)尾跡不同直徑氣泡的消光系數(shù)進(jìn)行求解。根據(jù)艦船尾跡中不同直徑氣泡數(shù)密度隨深度的變化規(guī)律，以及尾跡各區(qū)域的氣泡直徑分布，建立了尾跡氣泡直徑分布模型。計(jì)算實(shí)例表明:尾跡深度越大，其濁度越小，尾跡對(duì)光線衰減能力越小。尾跡中心處濁度最大，尾跡對(duì)光線的衰減作用最強(qiáng)。該計(jì)算方法具有通用性。

氣泡數(shù)密度;消光系數(shù);濁度

0 引言

尾跡中大量氣泡對(duì)光線的反射、折射、散射等物理作用導(dǎo)致其在尾跡中傳播規(guī)律與海洋背景存在明顯差異。通過檢測(cè)這些差異，可實(shí)現(xiàn)對(duì)尾跡的識(shí)別和艦船的跟蹤。當(dāng)前，由于航母、驅(qū)護(hù)艦等大中型水面艦艇對(duì)空、對(duì)海防御技術(shù)(尤其是反導(dǎo)技術(shù)）的日臻完善，使得魚雷這一攻擊隱蔽性好、威力大的傳統(tǒng)水中兵器在現(xiàn)代海戰(zhàn)中的地位又突顯出來了。特別是隨著科技的不斷進(jìn)步，利用尾跡對(duì)水面艦船等目標(biāo)實(shí)施跟蹤攻擊的尾流自導(dǎo)魚雷處于飛速發(fā)展之中，其自導(dǎo)技術(shù)正在形成新的發(fā)展趨勢(shì)。因此，分析研究尾跡的光學(xué)理論，建立尾跡的數(shù)學(xué)和物理模型，深入研究尾跡的光學(xué)信號(hào)特征，顯得尤為必要。

光線在尾跡中傳播時(shí)由于大量微氣泡的散射、吸收等作用而使其能量大大衰減。設(shè)I0為入射光強(qiáng)，I為透射光強(qiáng)，τ為濁度，光線在尾跡中傳輸特性可描述為:I=I0exp(－τL）。濁度τ越大，透光率exp(－τL）越小，尾跡對(duì)光線衰減越嚴(yán)重。因此可通過求取尾跡濁度τ來表征尾跡光學(xué)衰減特性。根據(jù)Mie散射理論和建立的尾跡氣泡直徑分布模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)尾跡濁度的計(jì)算，進(jìn)而可以分析得到尾跡的光學(xué)衰減特性。

1 尾跡濁度的計(jì)算思想

近場(chǎng)尾跡區(qū)，由于螺旋槳旋轉(zhuǎn)引起的湍流極其劇烈，導(dǎo)致氣泡具有強(qiáng)烈的速度梯度和無序性，這造成了氣泡之間的碰撞和破碎。2個(gè)氣泡或多個(gè)氣泡之間又會(huì)發(fā)生氣泡的聚并和溶解。遠(yuǎn)場(chǎng)尾跡區(qū)，螺旋槳形成的湍流逐漸衰減，此時(shí)氣泡間不發(fā)生相互作用，也不發(fā)生聚并和破裂，氣泡散射可認(rèn)為是不相關(guān)散射，此時(shí)可用下式計(jì)算尾跡濁度［1］:

其中:D為氣泡直徑，N(D）為光線透過區(qū)域中直徑為D的氣泡數(shù)密度。為求取尾跡濁度，需先根據(jù)單氣泡Mie散射理論求得消光系數(shù)Kext以及N(D）。

2 相關(guān)參數(shù)的求解方法

2.1 消光系數(shù)Kext的求解

根據(jù)Mie散射理論，水中氣泡的散射強(qiáng)度取決于入射光的強(qiáng)度、波長、氣泡的直徑和相對(duì)折射率等因素。當(dāng)光強(qiáng)為I0的自然光入射到球形氣泡時(shí)，其散射光強(qiáng)為［2］

其中:θ為散射角;x=πDn0/λ為氣泡尺度參數(shù);m=m1+jm2為氣泡相對(duì)于周圍介質(zhì)的折射率，當(dāng)其虛部不為0時(shí)表示氣泡有吸收;D為氣泡直徑;n0為海水的折射率;λ為入射光在水中的波長;d為觀測(cè)點(diǎn)至散射氣泡的距離;i1，i2分別為垂直于和平行于散射平面的散射強(qiáng)度函數(shù)分量。其中i1和i2分別定義為:

式中:ψn(x）和 ξn(x）分別為半整數(shù)階Bessel函數(shù)和第二類Hankel函數(shù)。

2.2 尾跡氣泡直徑分布建模及N(D）求解

不同尾跡區(qū)域所包含的氣泡直徑分布不同，采用Trevorrow等測(cè)量的10 kn速度航行的海洋考察船尾跡數(shù)據(jù)對(duì)艦船尾跡進(jìn)行建模［4］，得到表1所示的尾跡氣泡直徑分布模型。尾跡深度z為測(cè)量點(diǎn)距海面的距離，尾跡中心區(qū)最深處為9 m，沿尾跡深度方向分為5層，沿尾跡縱向分為6個(gè)區(qū)域，尾跡中心區(qū)為尾跡5區(qū)，尾跡遠(yuǎn)區(qū)純海水區(qū)為尾跡0區(qū)，每個(gè)區(qū)域由不同深度尾跡層組成。

尾跡氣泡形成后，會(huì)經(jīng)歷溶解、上浮、聚并等過程，這些過程與氣泡直徑D及尾跡深度z(尾跡橫截面內(nèi)某一點(diǎn)到達(dá)尾跡表面的垂直距離）有關(guān)。設(shè)N0為尾跡表面氣泡數(shù)密度，Dpeak為氣泡的峰值直徑，H為氣泡的測(cè)深標(biāo)尺。尾跡內(nèi)氣泡的分布規(guī)律與海水中氣泡分布規(guī)律類似，但氣泡數(shù)密度遠(yuǎn)高于海水表面。尾跡內(nèi)氣泡數(shù)密度分布函數(shù)N(D，z）可表示為［5－6］:

由于模型中尾跡不同區(qū)域、不同深度所包含的氣泡直徑分布是不同的，故在利用式(1）計(jì)算濁度時(shí)，各區(qū)域的積分上、下限也不同。結(jié)合2.1節(jié)中求取的不同直徑氣泡的消光系數(shù)Kext，可對(duì)尾跡每一區(qū)域的濁度進(jìn)行求解，進(jìn)而可以分析得到尾跡的光學(xué)衰減特性。

表1 尾跡氣泡直徑分布模型Tab.1 Bubble diameter distribution model

3 計(jì)算實(shí)例

計(jì)算實(shí)例采用Trevorrow等測(cè)量的10 kn航速航行的海洋考察船尾跡數(shù)據(jù)。各參數(shù)如下:Dpeak=20 μm，尾跡中氣泡最小直徑8μm，最大直徑200 μm，尾跡時(shí)間 t=3 min，H=9 m;令 n0=6.0×106m－3。

3.1 Kext與 N(D）的計(jì)算

1）Kext的計(jì)算

取空氣折射率napr=1，海水折射率nmed=1.34，入射光線采用CO2激光器發(fā)出的激光，波長為10.6μm，相對(duì)折射率m=npar/nmed+0.05i，其中m虛部不為0表示光線在散射過程中有輕微的吸收作用。由2.1節(jié)中Kext的求解公式得到消光系數(shù)等參數(shù)隨氣泡直徑的變化規(guī)律，如圖1所示。

圖1 單氣泡Mie散射各系數(shù)隨直徑變化規(guī)律Fig.1 Single bubble's Mie Scattering coefficient varying with the diameter

通過比較圖中消光系數(shù)Kext、散射系數(shù)Ksca與吸收系數(shù)Kabs，可以很清晰得出Kext=Ksca+Kabs，說明尾跡中氣泡對(duì)光線的散射與吸收共同作用使得光線在尾跡中傳輸時(shí)有所衰減。

2）N(D）的計(jì)算

根據(jù)2.2節(jié)中建立的尾跡內(nèi)氣泡數(shù)密度分布函數(shù)N(D，z），計(jì)算得到各直徑氣泡數(shù)密度隨深度變化規(guī)律如圖2所示。從圖中可以得出，某一直徑的氣泡，隨著尾跡深度的增加，氣泡數(shù)密度逐漸變小。尾跡深度固定時(shí)，氣泡數(shù)密度最大值出現(xiàn)在氣泡直徑20μm左右處。

圖2 不同直徑氣泡數(shù)密度隨深度變化規(guī)律Fig.2 Bubble number density varying with diameter and depth

3.2 尾跡濁度分區(qū)計(jì)算

由于式(1）中的積分上、下限隨尾跡各區(qū)域的氣泡直徑分布變化而不同，故在計(jì)算尾跡濁度時(shí)需按照表1建立的模型進(jìn)行分區(qū)計(jì)算。根據(jù)3.1節(jié)求得的消光系數(shù) Kext，以及氣泡數(shù)密度分布函數(shù)N(D，z），由式(1）對(duì)表1模型中各區(qū)域的濁度進(jìn)行計(jì)算，得到尾跡各區(qū)域濁度如表2所示。

表2 尾跡各部分濁度分布Tab.2 Turbidity distribution of ship wake's different area

通過計(jì)算實(shí)例分析可知，尾跡的不同部分對(duì)光線的衰減能力是不同的。尾跡深度越大，其濁度越小，尾跡對(duì)光線衰減能力越小。且尾跡中心處濁度最大，尾跡對(duì)光線的衰減作用最強(qiáng)。在尾跡表層中，氣泡尾跡存留的時(shí)間更長，可望被探測(cè)的距離將會(huì)更遠(yuǎn);并且，由于信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，采用脈沖編碼等新方式工作的尾流自導(dǎo)技術(shù)已具備克服海面混響干擾的條件。因此，在研究利用尾跡對(duì)水面艦船實(shí)施跟蹤攻擊的尾流自導(dǎo)技術(shù)以及反魚雷技術(shù)時(shí)，應(yīng)該對(duì)表層尾跡給予足夠的重視。

4 結(jié)語

本文提出了尾跡濁度的一種計(jì)算方法，并通過計(jì)算實(shí)例驗(yàn)證了其可行性。測(cè)量獲取不同船型尾跡各區(qū)域氣泡直徑分布N(D）后，便可采用此方法，建立尾跡氣泡直徑分布模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)其濁度的計(jì)算。

［1］張毓芬，田稷，王成龍，等.艦船尾流消光特性分析［J］.光電子技術(shù)與信息，2003，16(4）:40 －42.

ZHANG Yu-fen，Tian Ji，WANG Cheng-long，et al.Analysis on light extinction characteristic of ship wake［J］.Optoelectronic Technology ＆ Information，2003，16(4）:40 －42.

［2］紀(jì)延俊，何俊華，董曉娜，等.尾流氣泡幕散射光的性質(zhì)［J］.光子學(xué)報(bào)，2004，33(8）:1018 －1020.

JI Yan-jun，HE Jun-hua，DONG Xiao-na，et al.The character of the scattered light of bubbleswall in wake［J］.Acta Photonica Sinica，2004，33(8）:1018 －1020.

［3］王蓮芬，劉光斌，鄭重，等.Mie散射向前遞推連分式算法及其數(shù)值模擬［J］.光學(xué)技術(shù)，2009，35(4）:541 －543.

WANG Lian-fen，LIU Guang-bin，ZHENG Zhong，et al.Onwards continued fraction algorithm for Mie scattering and numerical simulation［J］.Optical Technique，2009，35(4）:541－543.

［4］TREVORROW M V.Boundary scattering limitations to fish detection in shallow waters［J］.Fisheries Research，1998，35(1－2）:127－135.

［5］ZHANG Xiao-dong，LEWIS M，JOHNSON B.Influence of bubbles on scattering of light in the ocean［J］.Appl.Opt.1998，27，6525 －6536.

［6］王向偉，周田華，陳衛(wèi)標(biāo).艦船尾流激光后向散射特性研究［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(1）:14 －18.

WANG Xiang-wei，ZHOU Tian-hua，CHENWei-biao.Study on laser backscattering properties by ship wakes［J］.Acta Optica Sinica，2010，30(1）:14 －18.

Research on calculatingmethod of ship wakes'turbidity

LIZhao-long1，CHIWei2，CHEN Ming-rong1
(1.Department of Postgraduate Management，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China;2.Department of Navigation，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China）

The relation between turbidity，light extinction coefficient and bubble number density is presented.The calculating method of ship wakes'turbidity and an example are given.The bubble's light extinction coefficient of different ship wake area is numerically simulated with the Mie scattering theory.According to the law of bubble number density varying with bubble diameter and the ship wake depth，bubble diameter distribution model of ship wake is presented.Simulation result shows the turbidity and the light extinction of ship wake are increased along the ship stern from far to center and from deep to shallow.It is a common method when calculating the ship wakes'turbidity.

bubble number density;light extinction coefficient;turbidity

O436

A

1672－7649(2013）03－0027－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.03.006

2012－07－12;

2012－08－09

李召龍(1987－），男，碩士研究生，研究方向?yàn)檐娛潞胶０踩Ｕ吓c防護(hù)技術(shù)。