郭露萍，翟雨生，王琦龍，齊志央

（東南大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

研究綜述

船舶尾流氣泡幕探測(cè)技術(shù)進(jìn)展與應(yīng)用

郭露萍，翟雨生，王琦龍，齊志央

（東南大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

本文介紹并比較船舶尾流氣泡幕的聲學(xué)探測(cè)和光學(xué)探測(cè)的異同。以檢測(cè)參量為主線，討論光學(xué)探測(cè)中氣泡對(duì)散射光強(qiáng)度、頻率和偏振特性的影響，重點(diǎn)闡述基于脈沖回波、激光拉曼散射和光學(xué)成像等探測(cè)方式的應(yīng)用原理、發(fā)展?fàn)顩r和存在的問(wèn)題。以提高回波信號(hào)信噪比為目的，提出一種基于表面等離子激元的氣泡尾流探測(cè)新思路，并進(jìn)行相關(guān)模擬論證。氣泡尾流光學(xué)探測(cè)法及其應(yīng)用系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、靈敏度高、探測(cè)區(qū)域廣等優(yōu)點(diǎn)，在船舶監(jiān)控、海洋水體污染檢測(cè)和海洋生物環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面應(yīng)用廣泛。

尾流探測(cè)；氣泡；光學(xué)散射

0 引 言

水下航行器在航行過(guò)程中由于螺旋槳的空化，海面波浪的破碎以及吃水線附近空氣的卷入會(huì)形成含有大量氣泡尤其是微氣泡的尾流場(chǎng)，尾流場(chǎng)的幾何尺寸要比航行體本身大 2 倍以上（見(jiàn)圖 1）［1］。尾流中的氣泡在形成后的較短時(shí)間內(nèi)，經(jīng)由大氣泡的上升、破裂，小氣泡的融合，尺度為 10 ～ 300 μm 的氣泡含量最多，當(dāng)氣泡運(yùn)動(dòng)進(jìn)入遠(yuǎn)程尾流發(fā)展區(qū)時(shí)，尾流中剩下的氣泡半徑大都為 10 ～ 50 μm 的微小氣泡，且氣泡之間的平均距離要遠(yuǎn)大于氣泡的半徑［1］，由此可見(jiàn)氣泡尾流具有不可避免、存活時(shí)間長(zhǎng)、難以模仿等特點(diǎn)。由于氣泡的密度、壓縮率等參數(shù)與海水的明顯不同以及尾流中湍流的影響，使得尾流中的氣泡分布不均勻，這就導(dǎo)致了聲波、光波等在尾流中的傳輸特性與在海水中的傳輸存在著明顯的差異，為水下航行器的探測(cè)和搜索提供了依據(jù)。鑒于氣泡尾流探測(cè)的重大軍事意義，自二戰(zhàn)起，國(guó)外就開(kāi)始?xì)馀菸擦鳈z測(cè)相關(guān)方面的理論和實(shí)驗(yàn)研究，并取得了一系列研究成果。本文從氣泡尾流的聲學(xué)特性和光學(xué)特性出發(fā)，綜述氣泡尾流的不同探測(cè)方法，并分析其蘊(yùn)含的應(yīng)用價(jià)值與廣闊前景。

1 氣泡尾流的聲學(xué)探測(cè)

氣泡尾流聲學(xué)探測(cè)方法的基本原理是氣泡的聲散射和聲吸收效應(yīng)。聲波在水中的衰減較小，可傳播距離遠(yuǎn)，基于這些優(yōu)勢(shì)氣泡尾流聲學(xué)探測(cè)發(fā)展較早，可追溯到二戰(zhàn)時(shí)期，技術(shù)也相對(duì)成熟，其中氣泡尾流聲自導(dǎo)技術(shù)早已廣泛應(yīng)用于魚(yú)雷制導(dǎo)中。尾流聲自導(dǎo)分為主動(dòng)和被動(dòng) 2 種工作方式，其中主動(dòng)式尾流聲自導(dǎo)是由自導(dǎo)發(fā)射機(jī)發(fā)射高頻聲脈沖經(jīng)尾流不同水層中氣泡的散射，使散射信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生明顯變化，信號(hào)接收機(jī)接收散射信號(hào)后經(jīng)信號(hào)分析識(shí)別尾流，這種方法的探測(cè)距離遠(yuǎn)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)能力強(qiáng)，但同時(shí)也容易暴露自己。被動(dòng)式尾流聲自導(dǎo)是利用尾流區(qū)海水與正常海水聲阻抗的顯著差別通過(guò)檢測(cè)海水聲阻抗值的變化來(lái)確認(rèn)尾流存在與否，此方法精度不如主動(dòng)聲吶，但能在隱蔽自己的情況下發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

圖 1 艦船尾流示意圖Fig. 1 The Schematic of ship wake

聲吶在水下的探測(cè)距離雖然遠(yuǎn)，但是受外界條件的影響很大，比較直接的因素有多路徑效應(yīng)、混響干擾、海洋噪聲、自噪聲、目標(biāo)反射特征或輻射噪聲強(qiáng)度等，它們大多與海洋環(huán)境因素有關(guān)［2］。如聲波在傳播途中受海水介質(zhì)不均勻分布和海面、海底的影響和制約，會(huì)產(chǎn)生折射、散射、反射和干涉，會(huì)產(chǎn)生聲線彎曲、信號(hào)起伏和畸變，造成傳播途徑的改變，以及出現(xiàn)聲陰區(qū)，嚴(yán)重影響聲吶的作用距離和測(cè)量精度。因此研究者們急切的想摸索出其他更有效的尾流探測(cè)方式。

2 氣泡尾流的光學(xué)探測(cè)

光波的波長(zhǎng)短，傳播速度快，對(duì)氣泡的敏感度強(qiáng)于聲波，方向性好，抗干擾能力強(qiáng)。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，20 世紀(jì)末就開(kāi)始了尾流光學(xué)探測(cè)方面的研究。氣泡尾流的光學(xué)探測(cè)原理與聲學(xué)相似，只是探測(cè)的信號(hào)源是光波。尾流光學(xué)探測(cè)所用的光源一般是在水中衰減較小的藍(lán)綠激光。依據(jù)光源和探測(cè)器位置的不同，尾流光學(xué)探測(cè)的模式可以分為前向探測(cè)和后向探測(cè)，其中前向散射強(qiáng)度要大于后向散射，然而前向探測(cè)方式的光源和探測(cè)器是分離的，而后向探測(cè)的光源和探測(cè)器位于同一探測(cè)平臺(tái)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，后向探測(cè)方式一直是研究的重點(diǎn)，具體的探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖 2 光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 The schematic diagram of optical detection system

與聲相比，散射光的物理特性具有多樣性，因此，根據(jù)具體檢測(cè)參量的不一樣，尾流光學(xué)探測(cè)又分為以下幾種方法：

1）散射光強(qiáng)度探測(cè)

光強(qiáng)度探測(cè)與傳統(tǒng)聲學(xué)探測(cè)本質(zhì)上的區(qū)別就在于探測(cè)信號(hào)改變?yōu)楣庑盘?hào)，而光與氣泡的相互作用，可由Mie散射理論進(jìn)行分析。強(qiáng)度探測(cè)是在聲學(xué)探測(cè)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，文獻(xiàn)［3］對(duì)散射光強(qiáng)度探測(cè)的相關(guān)研究做了詳細(xì)的總結(jié)。受水體自身散射干擾以及后向散射光信噪比低等問(wèn)題的影響，強(qiáng)度探測(cè)很難區(qū)分氣泡尾流與渾濁水體，且探測(cè)距離較短。

2）散射光頻率探測(cè)

根據(jù)激光多普勒效應(yīng)，運(yùn)動(dòng)氣泡與激光相互作用會(huì)造成散射光的頻移，頻移的大小與氣泡的運(yùn)動(dòng)速率成正比，尾流氣泡的運(yùn)動(dòng)速率要遠(yuǎn)小于光速，相應(yīng)的多普勒頻移也要比光頻小很多，相差約 7 ～ 8 個(gè)數(shù)量級(jí)［4］，可用光學(xué)外差法來(lái)提高檢測(cè)分辨率，實(shí)驗(yàn)中常使用的光路有參考型和差動(dòng)型，差動(dòng)型因其不受視場(chǎng)限制，收集散射光信號(hào)的能力遠(yuǎn)大于前者而得到廣泛應(yīng)用。王赟和劉繼芳等［5］利用差動(dòng)型激光多普勒探測(cè)方法，對(duì)氣泡數(shù)密度和速率分布與后向散射光信號(hào)幅度和截止頻率之間的關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著氣泡數(shù)密度和速率分布范圍的增大，后向散射光信號(hào)的多普勒頻移譜的幅度、截止頻移也隨之增大。朱東華和張曉暉［6］用雙光路差動(dòng)型艦船尾流探測(cè)模型對(duì)魚(yú)雷與尾流的相對(duì)速度引起的差頻大小進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果表明安放在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的探測(cè)器，多普勒頻移量將會(huì)更明顯，為激光多普勒效應(yīng)應(yīng)用于氣泡尾流光自導(dǎo)技術(shù)提供了理論依據(jù)。和強(qiáng)度探測(cè)相比，頻率探測(cè)具有更強(qiáng)的抗干擾能力，探測(cè)距離更遠(yuǎn)，精度更高。

3）散射光偏振特性探測(cè)

微小氣泡與固體微粒對(duì)入射光散射后偏振狀態(tài)的影響在粒徑域和散射角度上具有選擇性，且氣泡的退偏振效應(yīng)要比固體粒子強(qiáng)，偏振特性探測(cè)就是基于尾流氣泡群對(duì)偏振激光的退偏振效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可有效區(qū)分氣泡與其他粒子，提高了氣泡的探測(cè)精度。Mie散射理論仍然是光尾流偏振特性研究的基礎(chǔ)。王燕等［7］對(duì)不同粒徑大小的單個(gè)尾流氣泡的退偏效應(yīng)進(jìn)行研究，考慮到光束在氣泡尾流中傳輸時(shí)會(huì)發(fā)生復(fù)散射現(xiàn)象，秦剛和楊郁等［8］用蒙特卡洛模型對(duì)不同偏振態(tài)入射光經(jīng)過(guò)氣泡尾流時(shí)的偏振特性進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明氣泡群的存在會(huì)加快入射光的退偏。同時(shí)，為透徹解析氣泡尾流對(duì)入射激光的偏振特性影響，還對(duì)氣泡粒徑大小、氣泡尾流散射系數(shù)和氣泡幕厚度等因素對(duì)散射光偏振特性的影響進(jìn)行了研究。王江安和王善勇等［9］研究了氣泡尾流的多重散射對(duì)偏振特性的影響。偏振特性探測(cè)目前能確定的只是偏振度的變化，還很難確定尾流的位置信息，它們之間的具體換算關(guān)系還需進(jìn)一步深入研究。

4）脈沖回波探測(cè)

脈沖回波探測(cè)是在雷達(dá)探測(cè)的基礎(chǔ)上引伸而來(lái)的，它是水下尾流激光雷達(dá)的核心技術(shù)。易媛媛等［10］利用自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了激光功率、氣泡位置、視場(chǎng)和氣泡區(qū)厚度等因素對(duì)后向散射信號(hào)的影響，且對(duì)模擬尾流的激光脈沖后向散射信號(hào)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。韓彪等［11-12］分析了激光脈沖寬度對(duì)氣泡尾流散射回波信號(hào)的影響，并對(duì)模擬氣泡尾流回波信號(hào)的前沿位置、后沿位置、時(shí)域?qū)挾?、能量、峰值大小和位置等參?shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，在此基礎(chǔ)上提出了基于激光脈沖后向散射信號(hào)特征變化的艦船尾流氣泡后向檢測(cè)方法。鄭毅等［13］對(duì)脈沖能量與水下激光雷達(dá)性能的關(guān)系進(jìn)行了研究。經(jīng)過(guò)對(duì)水下激光雷達(dá)技術(shù)的不斷深入研究，王江安等［15］成功設(shè)計(jì)出了用于尾流檢測(cè)的激光雷達(dá)樣機(jī)。文獻(xiàn)［11， 13］表明激光脈沖寬度和脈沖能量的有效設(shè)置能提高氣泡尾流的探測(cè)精度，圖 3 為脈沖能量與脈沖寬度大小對(duì)回波信號(hào)的影響。

由此可見(jiàn)脈沖寬度越窄，越有利于將回波信號(hào)從后向散射信號(hào)中提取出來(lái)，且在一定范圍內(nèi)，脈沖能量越高，越有助于對(duì)氣泡尾流的探測(cè)，但脈沖能量不能大于一定閾值，否則會(huì)由于水體后向散射光的影響，導(dǎo)致目標(biāo)有效回波信號(hào)的波動(dòng)［13］。因此在水下激光雷達(dá)設(shè)計(jì)中可以考慮使用具有一定能量的超短激光脈沖（如飛秒激光）光源對(duì)氣泡尾流進(jìn)行探測(cè)，可有效提高探測(cè)精度。

5）激光拉曼散射探測(cè)

圖 3 第 1 個(gè)波峰是水體散射信號(hào)，第 2 個(gè)波峰是氣泡尾流散射信Fig. 3 The first wave was because of water scattering，the second wave was the echo signal of bubbles wake.

激光通過(guò)被探測(cè)水域，發(fā)生的散射信號(hào)中除了有瑞利散射和米散射等彈性散射外還有拉曼散射信號(hào)，由于拉曼散射信號(hào)強(qiáng)度要比彈性散射小 4 ～ 5 個(gè)數(shù)量級(jí)，信號(hào)太弱以至于大部分的研究都把這部分散射信號(hào)忽略不計(jì)。Bunkin AF 和 Klinkov VK 等［15］經(jīng)過(guò)對(duì)尾流區(qū)的拉曼散射信號(hào)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)可以利用水體的拉曼散射信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)氣泡尾流探測(cè)，文獻(xiàn)［15］指出海洋中水分子的拉曼散射信號(hào)在很遠(yuǎn)的距離也很容易被探測(cè)到，而拉曼散射信號(hào)與傳播媒介的分子數(shù)成正比，即任何破壞水的連續(xù)性的物質(zhì)（氣泡、懸浮顆粒、泡沫）都會(huì)減少激光路徑上的水分子數(shù)，且根據(jù)拉曼散射的物理規(guī)律，拉曼散射對(duì)小氣泡的靈敏度明顯要高于MIE 散射。利用拉曼激光雷達(dá)和彈性散射激光雷達(dá)同時(shí)對(duì)艦船產(chǎn)生的尾流進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)氣泡尾流的存在會(huì)使水的拉曼散射回波信號(hào)減弱，且拉曼散射呈現(xiàn)了更長(zhǎng)更緩慢的時(shí)間演變規(guī)律，對(duì)小氣泡的靈敏度要高于彈性散射。因此有望利用拉曼散射實(shí)現(xiàn)氣泡尾流的遠(yuǎn)距離、高精度、長(zhǎng)時(shí)間探測(cè)。尾流的拉曼散射與彈性散射回波信號(hào)隨時(shí)間的演變關(guān)系如圖 4 所示。

圖 4 尾流的拉曼散射與彈性散射回波信號(hào)隨時(shí)間的演變關(guān)系，箭頭指向?yàn)闅馀菸擦鳟a(chǎn)生的瞬間時(shí)刻，圖中的彈性散射信號(hào)經(jīng) 10–n因子衰減處理［15］。Fig. 4 The evolution of raman scattered and elastic scattering ofbubbles echo signal with time，arrow pointing to the moment of bubbles generate，the elastic scattering signal in the graph was attenuated by a factor of 10–nby filter［15］.

拉曼散射信號(hào)還攜帶了水體所含物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)方面的更多具體信息，不同物質(zhì)的拉曼散射光信號(hào)與入射光存在一個(gè)特定的頻移量，利用這一點(diǎn)可對(duì)海洋上層水域進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)遙感探測(cè)，這是一種新穎有效的氣泡尾流探測(cè)方法，具有廣闊發(fā)展前景。

6）光學(xué)成像探測(cè)

光學(xué)成像法主要是用照相與圖像處理相結(jié)合的方法，對(duì)不同尾流條件下獲取的圖像進(jìn)行特征提取，并根據(jù)這些特征的變化進(jìn)行尾流檢測(cè)的光學(xué)方法。它分為光學(xué)攝影和全息成像。

光學(xué)攝影法是直接利用攝像設(shè)備拍攝尾流圖像，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)實(shí)時(shí)提取尾流圖像的統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)。此方法能真實(shí)再現(xiàn)水底情況，直觀精確，且能通過(guò)圖象處理和信號(hào)處理手段來(lái)剔除藻類(lèi)顆粒等其他非氣泡浮游物質(zhì)的干擾。劉西站等［16］設(shè)計(jì)的水下氣泡尾流成像系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)大動(dòng)態(tài)范圍（10 ～ 500 μm）粒徑小氣泡的成像。水下攝影技術(shù)雖能成功捕捉到氣泡尾流圖象，但是探測(cè)得到的是二維圖形，只能由拍攝物質(zhì)的形狀和大小來(lái)區(qū)別氣泡與其他物質(zhì)，很難區(qū)分球形粒子與氣泡。

全息成像是利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖像記錄和再現(xiàn)技術(shù)，鑒于全息術(shù)的三維成像，可得到透明氣泡或其他微粒的三維圖像，從而有利于氣泡和其他微粒的識(shí)別和統(tǒng)計(jì)。袁軍行和陳良益［17］設(shè)計(jì)的光學(xué)尾流全息成像系統(tǒng)可準(zhǔn)確得到尾流場(chǎng)不同層次的氣泡信息，經(jīng)算法分析可得到氣泡粒徑大小和氣泡的速度信息。韓正英和于佳等［18］還將數(shù)字全息技術(shù)應(yīng)用于氣泡尾流探測(cè)研究中，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到整個(gè)三維場(chǎng)的立體分布圖和不同截面的二維分布圖。不過(guò)全息成像法的成像質(zhì)量受限于實(shí)驗(yàn)記錄系統(tǒng)的發(fā)展。

7）氣泡尾流探測(cè)新思路

氣泡尾流探測(cè)研究的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)尾流即低密度微小氣泡的探測(cè)。光學(xué)尾流探測(cè)研究近年雖說(shuō)發(fā)展較快，但受光波的衰減及水體散射影響，其探測(cè)距離一直有很大限制。近些年來(lái)，有關(guān)局域表面等離子激元的研究取得了快速的發(fā)展并且廣泛應(yīng)用于生物檢測(cè)，表面拉曼散射增強(qiáng)，光電探測(cè)器件等領(lǐng)域。局域表面等離激元共振會(huì)引起局域場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，提高金屬納米結(jié)構(gòu)的散射截面，并且表面等離激元的共振特性對(duì)所處介質(zhì)環(huán)境折射率的變化特別敏感［19］，微弱的局部環(huán)境折射率變化都會(huì)引起金屬納米結(jié)構(gòu)共振吸收峰和散射光強(qiáng)度的變化，這為氣泡尾流探測(cè)提供了新思路，即利用金屬納米結(jié)構(gòu)的共振波長(zhǎng)敏感性和散射截面增強(qiáng)特性，提高尾流氣泡的散射光強(qiáng)度。前期分別在有金納米顆粒和無(wú)金納米顆粒的水溶液中對(duì)單個(gè)微米尺度氣泡的后向散射光信號(hào)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果如圖 5 所示。

由圖 5（a）和圖 5（b）比較可看出，在無(wú)金納米顆粒的水溶液中，單個(gè)微氣泡對(duì)光的后向散射光信號(hào)很微弱，在 10-2左右數(shù)量級(jí)（入射光強(qiáng)度設(shè)定為 1），而在有金納米顆粒的水溶液中，光的后向散射強(qiáng)度總體上都增強(qiáng)了 10 倍以上，這也許不能直接說(shuō)明散射光的增強(qiáng)是由于金屬納米顆粒對(duì)氣泡的散射特性增強(qiáng)所致，但對(duì)比圖 5（a）和5（b）可以肯定的是，加了金納米顆粒的水溶液中氣泡對(duì)散射結(jié)果的影響要比沒(méi)加金納米顆粒的更大，即含有金納米顆粒的水溶液對(duì)氣泡引起的介質(zhì)環(huán)境變化更敏感。由圖 5（c）可看出在有金納米顆粒的水溶液中，氣泡引起的后向光散射強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，且對(duì)光波長(zhǎng)是有明顯的選擇性，在 650 nm左右的波段區(qū)域，氣泡對(duì)光的散射影響最大，這除了與納米顆粒的材料有關(guān)，還和納米顆粒的尺寸、形狀和分布等因素密切相關(guān)，需要后期進(jìn)行更為系統(tǒng)的深入研究。不久的將來(lái)有望將表面等離激元應(yīng)用到氣泡尾流探測(cè)當(dāng)中，即在被測(cè)水域中加入某些在光波照射下對(duì)氣泡非常敏感的物質(zhì)，作為探針對(duì)氣泡進(jìn)行探測(cè)，這可從源頭上提高回波信號(hào)的強(qiáng)度，進(jìn)而提高信噪比和探測(cè)效率。目前常見(jiàn)的表面等離激元多是發(fā)生于貴金屬（合金）納米顆粒（如：金、銀）表面，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一些普通的低成本替代物質(zhì)，這將有利于它的廣泛應(yīng)用。

3 氣泡尾流探測(cè)研究的應(yīng)用價(jià)值

圖 5 不同水溶液中有無(wú)氣泡的后向光散射模擬情況Fig. 5 The simulation results of light backscatter propety in different conditions

氣泡尾流探測(cè)研究不斷被重視的主要原因在于其巨大的應(yīng)用價(jià)值，最初只是在軍事需求的推動(dòng)下展開(kāi)，如今已逐漸向民用領(lǐng)域延伸。

1）軍事領(lǐng)域

軍事上目前主要是利用氣泡尾流特性實(shí)施對(duì)水面艦船探測(cè)、跟蹤和追擊。其中基于尾流聲學(xué)效應(yīng)的聲吶探測(cè)技術(shù)已應(yīng)用于各種魚(yú)雷制導(dǎo)系統(tǒng)中，并對(duì)水面船舶航行安全構(gòu)成了致命威脅。近年來(lái)正大力發(fā)展的基于氣泡尾流場(chǎng)光學(xué)特性的魚(yú)雷引導(dǎo)技術(shù)，將使魚(yú)雷具有更強(qiáng)大的作戰(zhàn)能力。氣泡尾流探測(cè)研究的軍事應(yīng)用價(jià)值不僅僅在于對(duì)水面艦船的追蹤攻擊，更大的應(yīng)用是對(duì)水下潛艇的定位探測(cè)。

2）民用領(lǐng)域

由于氣泡尾流的幾何外形特征與船型、航速等因素密切相關(guān)，且氣泡尾流場(chǎng)的空間尺寸遠(yuǎn)大于目標(biāo)艦船本身，故可利用遙感獲得的氣泡尾流信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的初步判斷和識(shí)別，所以利用星載或機(jī)載光學(xué)遙感設(shè)備探測(cè)尾流，對(duì)大范圍海域進(jìn)行監(jiān)控，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)非法進(jìn)入領(lǐng)海的船舶，為海監(jiān)執(zhí)法提供可靠的信息保障，大大提高海監(jiān)巡航的針對(duì)性和有效性，從而更好地維護(hù)國(guó)家的海洋權(quán)益［20］。由于氣泡尾流的光學(xué)遙感特性與水中所含的物質(zhì)成分密切相關(guān)，而拉曼激光雷達(dá)可直接反映水中物質(zhì)的類(lèi)型和含量，這可從一定程度上表征水體的受污染程度。因此，也可利用氣泡尾流場(chǎng)的光學(xué)遙感特性初步判斷大范圍海域的水質(zhì)變化情況，為海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)提供信息。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，氣泡尾流探測(cè)由于其重大的民用和軍事應(yīng)用價(jià)值，受到高度重視。氣泡尾流探測(cè)的核心內(nèi)容是盡可能地提高后向散射信號(hào)的信噪比，氣泡尾流聲學(xué)探測(cè)方法已經(jīng)相對(duì)成熟，但存在一些無(wú)法克服的缺陷，光學(xué)探測(cè)方法的研究就是為了彌補(bǔ)聲學(xué)方法的不足。經(jīng)過(guò)不斷努力，光學(xué)探測(cè)取得了許多重要的研究成果，其中脈沖回波和拉曼散射因其高度可辨識(shí)性，可作為激光雷達(dá)的核心技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)氣泡尾流的高精度遠(yuǎn)距離探測(cè)。為了提高實(shí)際的探測(cè)精度，目前最好的舉措還是將多種探測(cè)方法同時(shí)使用。氣泡遠(yuǎn)場(chǎng)尾流探測(cè)的根本性難題是回波信號(hào)太微弱，現(xiàn)有的方法都是從減噪角度進(jìn)行研究，如果應(yīng)用表面等離激元及其他相關(guān)理論技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)本身的增強(qiáng)，尾流探測(cè)將會(huì)有一個(gè)質(zhì)的突破，這是不懈努力的目標(biāo)。

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Research on optical detection of wake-bubble of vessels and ships

GUO Lu-ping， ZHAI Yu-sheng， WANG Qi-long， QI Zhi-yang
（School of Electronic Science and Engineering， Southeast University， Nanjing 210096， China）

Acoustic and optical detection methods of wake-bubbles for ships are introduced in this paper.The influences of bubbles on intensity， frequency and polarization of scattered light are discussed in detail.It expounds the fundamentals， the development and the problems existing in different detection approaches for the wake-bubbles， which includ the pulse echo，the laser Raman scattering and the optical imaging detection.In order to improve the signal-to-noise ratio， a novel method of surface plasmon on bubble wake detection is proposed.Due to the good real-time performance， high sensitivity and wide detection area， the optical detection of wake-bubbles and its corresponding application system have the potential to be widely applied in the monitoring of ship sailing， water pollution and biotic env ironment in the ocean.

wake detection；bubbles；optical scattering

U661；TN29

A

1672 – 7619（2016）04 – 0001 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.04.001

2015 – 12 – 14；

2016 – 03 – 03

郭露萍（1990 – ），女，碩士研究生，主要從事光電探測(cè)和表面等離激元方面研究。