高速绕流对蓝绿激光水下传输特性的影响机理研究

当载体在水下处于高速运动状态时，蓝绿激光的传输会由于载体绕流对光波波面的作用而出现闪烁、漂移及像点拌动和扩展等"液动效应"现象，从而影响激光探测通讯技术在高速海基装备上的应用。本项目研究载体绕流对蓝绿激光水下传输特性的影响机理。根据绕流边界层的流场特征分析液体流动状态对水中离散随机介质的密度的作用规律，探讨湍流边界层的流场运动与粒子的跟随运动相互作用对悬浮粒子密度分布的影响。结合海洋光学和波动光学相关理论及阿贝折射实验的结果，确定介质密度与流场折射率起伏的关系。初步建立高速绕流状态下反映蓝绿激光水下传输特性的理论模型。利用水洞实验法进行蓝绿激光水下动态传输实验。并探索利用光电技术、信号处理技术对液动效应进行校正的方法。本项目的研究将会为逐步完善海洋光学理论，提高水下探测信息处理技术起到重要的推动作用。

当载体在水下处于高速运动状态时，产生的绕流会对光波的波面产生作用，出现闪烁、漂移、像点拌动和扩展等“液动效应”现象，影响蓝绿激光的水下传输特性，从而对高速载体的激光探测精度造成很大的影响。本项目对“液动效应”的产生机理和影响因素以及悬浮颗粒的跟随运动与湍流边界层的流场作用相叠加对蓝绿激光水下传输特性的影响进行了研究。. 项目在国内外现有的水下蓝绿激光探测研究基础之上，引入载体的绕流影响因素，通过数值模拟对蓝绿激光在动态绕流中的传输特性进行了研究，提出了相应的传输模型，并设计了水下蓝绿激光传输的原理样机。项目主要在以下几个方面取得了成果：.(1)当前国内外蓝绿激光水下研究的基础上，对蓝绿激光在海水中的传输特性进行了深入的分析，推导出532nm绿色激光在海水中静态传输的物理模型。同时，结合水下流体力学的相关理论，从静态模型中提出与动态绕流相关的影响参数，建立绿激光在动态绕流中传输的初步模型。该部分理论研究为本文数值计算以及试验验证提供理论依据。.(2)结合水下流体力学理论基础与计算流体力学的研究方法，运用商业软件Fluent对海水动态绕流的环境进行数值分析，并着重计算出海水介质固液两相流中，悬浮粒子浓度分布与激光传输距离的关系，从而完善了激光在海水动态绕流中传输的模型。该传输模型表现了激光在动态绕流中传输时，其回波功率与探测距离的关系。.(3)对常用的水下试验设备—水洞试验装置的部分关键参数进行了研究，给出了优选方案。同时，基于理论基础和仿真分析的流场特性，本项目搭建了相应的原理样机，完成了系统的总体结构设计，对各模块分别进行了机械结构设计和电路模块设计，并且完成了DSP模块的软件编程。整个样机系统可实现激光水下发射控制、回波信号采集以及数据存储功能。.(4)开展相关的验证实验，通过静态水槽试验可以得出：该原理样机在不同传输介质、环境光中，针对不同的检测物，都能较好地接收并还原激光探测到目标后产生的回波信号。同时，利用水洞试验验证了理论和数值计算提出的动态绕流中的传输模型，试验表明该经验公式在一定条件下可以表现动态绕流中激光回波功率与探测距离的规律。. 项目研究结果为蓝绿激光在水下高速载体上的应用提供了理论依据和设计参考，项目中提出的将计算流体力学与水洞实验相结合的研究方案，为蓝绿激光水下传输特性的研究提供了一种新的方法。