《高速繞流對藍綠雷射水下傳輸特性的影響機理研究》是依託南京理工大學，由沈娜擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：高速繞流對藍綠雷射水下傳輸特性的影響機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：沈娜
- 依託單位：南京理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
當載體在水下處於高速運動狀態時，藍綠雷射的傳輸會由於載體繞流對光波波面的作用而出現閃爍、漂移及像點拌動和擴展等液動效應現象，從而影響雷射探測通訊技術在高速海基裝備上的套用。本項目研究載體繞流對藍綠雷射水下傳輸特性的影響機理。根據繞流邊界層的流場特徵分析液體流動狀態對水中離散隨機介質的密度的作用規律，探討湍流邊界層的流場運動與粒子的跟隨運動相互作用對懸浮粒子密度分布的影響。結合海洋光學和波動光學相關理論及阿貝折射實驗的結果，確定介質密度與流場折射率起伏的關係。初步建立高速繞流狀態下反映藍綠雷射水下傳輸特性的理論模型。利用水洞實驗法進行藍綠雷射水下動態傳輸實驗。並探索利用光電技術、信號處理技術對液動效應進行校正的方法。本項目的研究將會為逐步完善海洋光學理論，提高水下探測信息處理技術起到重要的推動作用。
結題摘要
當載體在水下處於高速運動狀態時，產生的繞流會對光波的波面產生作用，出現閃爍、漂移、像點拌動和擴展等“液動效應”現象，影響藍綠雷射的水下傳輸特性，從而對高速載體的雷射探測精度造成很大的影響。本項目對“液動效應”的產生機理和影響因素以及懸浮顆粒的跟隨運動與湍流邊界層的流場作用相疊加對藍綠雷射水下傳輸特性的影響進行了研究。項目在國內外現有的水下藍綠雷射探測研究基礎之上，引入載體的繞流影響因素，通過數值模擬對藍綠雷射在動態繞流中的傳輸特性進行了研究，提出了相應的傳輸模型，並設計了水下藍綠雷射傳輸的原理樣機。項目主要在以下幾個方面取得了成果： (1)當前國內外藍綠雷射水下研究的基礎上，對藍綠雷射在海水中的傳輸特性進行了深入的分析，推導出532nm綠色雷射在海水中靜態傳輸的物理模型。同時，結合水下流體力學的相關理論，從靜態模型中提出與動態繞流相關的影響參數，建立綠雷射在動態繞流中傳輸的初步模型。該部分理論研究為本文數值計算以及試驗驗證提供理論依據。 (2)結合水下流體力學理論基礎與計算流體力學的研究方法，運用商業軟體Fluent對海水動態繞流的環境進行數值分析，並著重計算出海水介質固液兩相流中，懸浮粒子濃度分布與雷射傳輸距離的關係，從而完善了雷射在海水動態繞流中傳輸的模型。該傳輸模型表現了雷射在動態繞流中傳輸時，其回波功率與探測距離的關係。 (3)對常用的水下試驗設備—水洞試驗裝置的部分關鍵參數進行了研究，給出了優選方案。同時，基於理論基礎和仿真分析的流場特性，本項目搭建了相應的原理樣機，完成了系統的總體結構設計，對各模組分別進行了機械結構設計和電路模組設計，並且完成了DSP模組的軟體編程。整個樣機系統可實現雷射水下發射控制、回波信號採集以及數據存儲功能。 (4)開展相關的驗證實驗，通過靜態水槽試驗可以得出：該原理樣機在不同傳輸介質、環境光中，針對不同的檢測物，都能較好地接收並還原雷射探測到目標後產生的回波信號。同時，利用水洞試驗驗證了理論和數值計算提出的動態繞流中的傳輸模型，試驗表明該經驗公式在一定條件下可以表現動態繞流中雷射回波功率與探測距離的規律。項目研究結果為藍綠雷射在水下高速載體上的套用提供了理論依據和設計參考，項目中提出的將計算流體力學與水洞實驗相結合的研究方案，為藍綠雷射水下傳輸特性的研究提供了一種新的方法。
