水下无人系统学报
Journal of Unmanned Undersea Systems
2024年第5期
水下感知及目标识别
有机气泡光散射特性研究
署名作者：
董敏, 张建生, 闫林波, 焦贵金, 姚远
作者单位：
西安工业大学 基础学院, 陕西 西安, 710021
基金项目：
陕西省重点研发计划项目资助(2023-YBGY-016).
摘要
为了更好地解释真实海洋环境中尾流的光散射特性, 探究在真实海洋环境中由于有机物薄膜引起的尾流气泡光散射特性的变化。文中基于Mie散射理论, 仿真了不同波长入射光时干净气泡, 以及被蛋白质膜和脂质膜包裹的有机气泡的散射光强分布、散射系数、散射相函数及偏振度。仿真结果表明: 干净气泡和2种膜包裹的有机气泡的散射系数均在2.025上下震荡, 且有机气泡的震荡幅值明显大于干净气泡; 当散射角为180°时,有机气泡的散射光强和散射相函数的值明显增大; 有机气泡可以增大散射系数震荡的幅值并增大背向散射强度。仿真结果可为实际海洋环境尾流探测提供理论与数据支撑, 也为海洋污染监测、水质勘探等提供现实依据。
引言
舰船在水面航行的过程中, 尾部的海水由于螺旋桨旋转产生空化、波浪破碎以及空气卷吸, 会生成一条含有大量气泡的气泡幕带, 即舰船尾流。尾流中所含有的大量气泡使得尾流相对于普通海水具有不同特性, 而这些特殊的声学、光学、磁和热学特性是进行航行体追踪、识别和定位的重要信息。舰船自身几何特性、航行速度、海面风速及所处水体情况等都会对舰船尾流的形态、物理特性产生不同程度的影响。此外, 海洋污染也会对海洋尾流探测造成极大的影响, 海洋水质情况会引起尾流的光散射变化, 从而影响利用尾流进行追踪、识别和定位的重要信息。
在纯净水中产生的气泡称为干净气泡, 空气相对于水的折射率为0.75。海水中含有的有机物会很快附着在气泡上, 产生的表面覆盖有一定厚度有机膜的气泡称为有机气泡。关于薄膜的成分, Fox等[1]认为包裹在气泡上的单层膜主要为蛋白质, Yount等[2]则认为蛋白质和脂质都是薄膜的成分。因此, 文中认为有机薄膜主要由蛋白质或脂质组成, 其中蛋白质膜和脂质的相对折射率分别为1.2和1.1。实际上, 气泡表面有机膜可能存在分布不均匀、只覆盖部分气泡和多层膜等现象, 文中暂不考虑这些现象, 假定有机气泡表面的有机膜是单层均匀分布的, 并且与气泡大小无关。
长期以来, 有关学者对气泡光散射特性进行了持续而深入的研究。Davis[3]用几何光学方法研究了水中单个气泡的光散射特性。Stroud等[4]用物理光学方法对气泡光散射特性又作了进一步研究。Stramski等[5]对半径在10~150 μm范围干净气泡群的光散射能力进行了研究, 结果表明这些气泡对海水后向散射的贡献可达10%。Zhang等[6]应用Mie散射理论估计了干净气泡和覆盖有有机物薄层气泡的光学特性, 发现气泡是强散射体和背向散射体, 而覆盖膜大大提高了气泡群的背向散射。国内对尾流气泡的研究起步较晚, 2001年, 张建生[7]进行了尾流实验试验测量, 深入研究了模拟尾流气泡的声学和光学特性, 建立了尾流气泡光学特性的物理模型。此后, 张毓芬等[8]基于Mie散射理论, 计算和分析了干净气泡和有机气泡光的背向散射特性及群体干净气泡和有机气泡光的背向散射特性。赵晓飞等[9]利用数字图像采集及处理技术对单个和多个不重叠运动气泡的一些运动参数进行分析和研究。张宇等[10]利用海上试验现场测量了尾流气泡群对海水光学特性的影响, 研究表明在可见光和近红外波段, 尾流气泡在幅度和光谱上影响海水遥感反射率。杨郁等[11]针对尾流气泡幕后向散射偏振特性, 利用Mie散射理论以及蒙特卡罗方法研究了入射光偏振态、气泡幕散射系数以及尾流厚度对偏振态的影响。闫林波等[12]从光子运动时长的角度出发, 利用蒙特卡罗技术对光子运动时长进行分类统计, 对气泡群散射和分布进行了研究。现有文献多应用Mie散射理论研究了干净气泡和有机气泡的散射光强, 并没有对干净气泡和有机气泡的散射系数、散射相函数及偏振度进行系统的对比研究。
文中基于Mie散射理论, 计算了散射光强分布、散射系数、散射相函数以及偏振度并进行了对比, 进一步分析了干净气泡与有机气泡的散射特性。对有机气泡的散射研究可为检测水质水污染提供现实理论依据, 也可为真实海洋环境下的光尾流探测提供参考。
结束语
文中利用Mie散射理论研究了单个气泡不同折射率对散射光强分布的影响, 计算了入射光波长为632.8 nm和532 nm时, 干净气泡和被有蛋白质膜和脂质膜包裹的有机气泡的散射光强分布, 得出如下结论。
1) 3种状态下的气泡在180°时都有明显的增强, 这说明后向散射光一般情况下要比周围其他方向散射光大, 且在180°时, 相对折射率越大, 散射光光强越大。
2) 3种状态下气泡的散射系数在2.025上下震荡, 气泡半径越大, 其散射系数越接近2.025。气泡半径为10 μm时, 3种折射率下的散射系数震荡幅度最大, 震荡幅度随着气泡半径的增大逐渐变缓, 且震荡频率有一定周期性。
3) 0°时散射相函数值远大于其他方向散射, 之后散射相函数的值随着散射角的增加而衰减, 干净气泡下散射相函数在整体震荡趋势上表现不明显, 其他2种气泡的散射相函数都有2个以上明显的震荡峰值。
4) 3种状态下的气泡在0°附近的偏振度都趋近于0, 震荡幅值较低, 随着散射角的增加, 偏振度的震荡幅值开始变大, 相对折射率越小, 前向散射附近的偏振度幅值震荡越剧烈。
由于实验系统的限制, 文中对干净气泡和有机气泡的光散射特性研究只停留在仿真阶段, 没有在实地海域进行测量, 缺少实际海域测量数据的支撑。为使研究结论更趋于完善, 下一步将进行与实际测量数据的对比。
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END
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参考文献略
文章有删减，原文刊登于《水下无人系统学报》2024年第32卷第5期，点击阅读原文可查看。
