【摘要】：光在三維非均勻介質(zhì)傳輸?shù)倪^程中,光波的(偏折、偏振、相位、方向、振幅、波長(zhǎng)等)多種特征要素能夠反映出光線傳輸過程的大量信息,并且非均勻介質(zhì)對(duì)光的吸收、散射、折射、反射等過程同樣會(huì)影響光的傳輸規(guī)律,因此開展對(duì)三維非均勻介質(zhì)中的光傳輸多要素的分析研究具有重要意義。本文選取大氣激波繞流場(chǎng)、海水兩類典型三維非均勻介質(zhì)作為研究對(duì)象,分別對(duì)大氣激波繞流場(chǎng)以及非均勻海水介質(zhì)中的光傳輸過程進(jìn)行了分析研究,獲得了光在兩類非均勻介質(zhì)中多特征要素及變化規(guī)律,研究結(jié)果對(duì)發(fā)展新型探測(cè)、跟蹤技術(shù)具有重要價(jià)值�；赗unge-Kutta光線追跡法建立了三維非均勻介質(zhì)中的光傳輸模型。對(duì)于大氣激波繞流場(chǎng)中的光傳輸過程,采用Runge-Kutta光線追跡的數(shù)值方法進(jìn)行光學(xué)建模,研究并總結(jié)了高溫、高壓等復(fù)雜環(huán)境下非均勻大氣介質(zhì)的光學(xué)折射率模型,提出了三維非均勻流場(chǎng)的折射率梯度插值方法,并通過幾何光學(xué)理論驗(yàn)證了RungeKutta光線追跡模型的可行性和準(zhǔn)確性。高速飛行器大氣激波繞流場(chǎng)的光線偏折特性及紋影成像研究。通過Fluent軟件模擬獲得了高速飛行器在典型工況下的大氣激波繞流場(chǎng),基于流場(chǎng)網(wǎng)格中任意一點(diǎn)的折射率和折射率梯度,采用Runge-Kutta光線追跡法對(duì)激波繞流場(chǎng)中的光線偏折軌跡進(jìn)行數(shù)值模擬,并分析了飛行馬赫數(shù)、飛行海拔高度、入射光波長(zhǎng)以及初始入射角度對(duì)光線偏折程度的影響,同時(shí)完成了某高速飛行器在城市、沙漠、海洋等背景環(huán)境下飛行時(shí)的激波紋影結(jié)構(gòu)的灰度成像。典型區(qū)域非均勻海水介質(zhì)中的激光傳輸特性研究。建立了激光在海水中傳輸時(shí)光子與懸浮粒子的碰撞散射、水體的吸收、大氣/海水界面的折射和透射、以及碰到海底、目標(biāo)表面的朗伯反射等過程的傳輸模型。采用蒙特卡羅法模擬了激光在三類典型海水中回波信號(hào)的時(shí)空特性,研究了激光光子的不同散射次數(shù)對(duì)總的回波信號(hào)的影響,結(jié)果表明激光的單次散射對(duì)總的回波信號(hào)貢獻(xiàn)最大。分析了中國(guó)近海四大海域清潔海區(qū)的水體特征,對(duì)比研究了不同海域水體對(duì)激光水下探測(cè)過程的影響。對(duì)于受擾動(dòng)海水中大量存在的飛沫和氣泡,根據(jù)Mie散射理論獲得了飛沫層和氣泡層的吸收和散射系數(shù),并采用對(duì)飛沫、氣泡濃度隨機(jī)生成的方法,分別研究了飛沫層和氣泡層的吸收、散射特性對(duì)激光后向回波信號(hào)時(shí)空特性的影響。
【圖文】：

領(lǐng)域的研究和發(fā)展。目前各國(guó)的偵察、探測(cè)系統(tǒng)主要采用雷達(dá)、紅外、電子、可見光、聲波等方式，現(xiàn)有對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別技術(shù)主要是基于目標(biāo)的自身發(fā)射和吸收然而當(dāng)目標(biāo)本體噴涂隱身材料或處在復(fù)雜的背景環(huán)境中，可能導(dǎo)致探測(cè)系統(tǒng)接收到的信號(hào)太弱而被背景雜波信號(hào)淹沒，或被目標(biāo)自身的偽裝所掩蓋，這就會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)的探測(cè)偵查手段無法有效地識(shí)別目標(biāo)。實(shí)際上當(dāng)目標(biāo)飛行器在大氣層中高速飛行時(shí)，一方面由于飛行速度太高，目標(biāo)本體部件與附近大氣發(fā)生劇烈的摩擦，對(duì)大氣造成動(dòng)力學(xué)擾動(dòng)，，并與大氣自由來流之間產(chǎn)生真實(shí)氣體效應(yīng)而形成高溫、高壓的激波繞流場(chǎng)，另一方面在目標(biāo)的飛行過程中會(huì)在飛行器尾部噴出大量的尾焰，并且飛行的路徑會(huì)形成一道清晰的尾跡，通常觀察到的尾跡可分為凝結(jié)尾跡和擴(kuò)散尾跡，如圖 1-1 所示，這幾方面的綜合作用使得目標(biāo)飛行航跡上的擾動(dòng)流場(chǎng)和周圍大氣流場(chǎng)信息相比是有區(qū)別的，這個(gè)區(qū)別主要體現(xiàn)在大氣組分、壓力、溫度、密度等方面的不同，間接導(dǎo)致了大氣激波繞流場(chǎng)與周圍大氣折射率分布的不同，當(dāng)探測(cè)光線穿過大氣擾動(dòng)流場(chǎng)時(shí)就會(huì)發(fā)生偏折的現(xiàn)象，導(dǎo)致光線傳輸路徑與無擾動(dòng)時(shí)相比是有區(qū)別的，使探測(cè)器中所形成的目標(biāo)探測(cè)圖像發(fā)生偏移，這就為目標(biāo)的反隱身探測(cè)技術(shù)提供了一種新的手段。

圖 1-2 NASA 高速目標(biāo)激波國(guó)外對(duì)于飛行器尾跡流場(chǎng)的吸收特性在成凝結(jié)尾是一種由發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的水蒸氣凝結(jié)層中形成的孔洞。F.S. Sechrist 等人在 19在紅外波段是容易看到的，但衛(wèi)星可見光大地背景下才可以。在 3.53-3.93 微米通道12 月 10 日索米氣象衛(wèi)星使用三個(gè)不同波，其中 3.74 微米通道較為清晰的獲得了飛
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O439

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2683800