[發明專利]一種復雜環境影響下的海洋-低層大氣激光傳輸建模方法

有效

• 申請號: 201910382212.3
• 申請日: 2019-05-09
• 公開（公告）號: CN110095784B
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 李妮;董力維;謝鑫浩;李小路
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01S17/88
• 分類號: G01S17/88;G06F30/20
• 代理公司: 北京航智知識產權代理事務所(普通合伙) 11668
• 代理人: 墨偉;程連貞

1.一種復雜環境影響下的海洋-低層大氣激光傳輸建模方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1.根據激光在低層大氣、海-氣界面、海體三部分環境中的傳輸機理，將激光探測海下目標的傳輸過程分為低層大氣傳輸子過程、海面透射子過程、海體傳輸子過程；

S2.確定各子過程中的環境因子及其特征參數；

所述激光為藍綠激光，其中通過分析低層大氣成分對激光衰減的作用機理，確定低層大氣傳輸子過程中的環境因子為大氣分子和氣溶膠粒子，特征參數為氣溫、氣壓、降水率和能見度；

通過分析激光跨介質傳輸過程的特性，確定海面透射子過程中的環境因子為海浪，特征參數為海面風速；

通過分析海體成分對激光衰減的作用機理，確定海體傳輸子過程中的環境因子為水分子、鹽分子、有機物和懸浮顆粒，特征參數為水溫、鹽度、有機物濃度和懸浮物濃度；

S3.針對低層大氣傳輸子過程，基于大氣光散射原理，建立復雜環境下激光低層大氣衰減系數模型；

S4.針對海面透射子過程，基于幾何光學理論，建立激光入射角與海面傾角模型，進一步結合菲涅爾公式建立海面入射點激光透射比模型，然后結合海風海浪譜三維模型，以激光照射在海面上的光斑為研究對象，采用空間剖分技術，對光斑水平分布范圍內的光路透射特性進行統計計算，進而建立復雜環境下海-氣界面激光透射比數學模型；

其中，所述建立激光入射角與海面傾角模型具體包括如下步驟：

將激光從大氣中射入海體的透射路徑作為下行信道，將激光經過反射后從海體中射入大氣的透射路徑作為上行信道，

1)基于幾何光學理論，建立下行信道的激光入射角與海面傾角的數學模型：

將海面法線L₁與海浪法線L₂之間的夾角α定義為海面傾角，當海面傾角α取值為時，

下行信道上激光光線相對于當前海浪表面的入射角θ₁為：

θ₁＝|δ-α|

下行信道上出射激光光線的折射角θ₂為：

海水中下行信道上激光出射方向角θ₃為：

其中，n為海水相對于空氣的折射率，由菲涅爾折射定律可知δ為下行信道上激光的掃描角；

2)基于幾何光學理論，建立上行信道的激光入射角與海面傾角的數學模型：

當海面傾角α取值為時，

上行信道上激光入射角θ′₁為

θ′₁＝|δ′-α|，

上行信道上出射激光光線的折射角θ₂′為

θ′₂＝arcsin[n·sin|δ′-α|]

上行信道上大氣中出射激光光線的方向角θ₃′為

θ′₃＝|α+arcsin[n·sin(δ′-α)]|

其中，δ′為上行信道上激光入射方向角；

假定下行信道和上行信道的光路互逆，上下行信道上的光路角度關系為：δ′＝θ₃，θ′₁＝θ₂，θ′₂＝θ₁，θ′₃＝δ；

所述建立海面入射點激光透射比模型具體包括如下步驟：

1)將激光作為入射平面波分解成兩個相互垂直的分量s波和p波，其中，s波為垂直于入射面的光分量，p波為平行于入射面的光分量，

基于菲涅爾公式，建立激光入射角與光振幅透射系數模型：

其中，t_s-d為s波的理論振幅透射系數；t_p-d為p波的理論振幅透射系數；μ₁，μ₂分別為大氣和海水兩介質的磁導率；n₁，n₂分別為大氣和海水兩介質的折射率；

2)基于步驟1)中建立的激光入射角與光振幅透射系數模型，根據上下行信道的激光入射角與海面傾角的數學模型，得到下行信道上s波的振幅透射系數t_s和p波的振幅透射系數t_p：

以及上行信道上s波的振幅透射系數t′_s和p波的振幅透射系數t′_p：

3)基于步驟2)中得到的上下行信道的激光入射角與光振幅透射系數模型，建立上下行信道的激光透射比模型：

s波和p波的透射比ρ_s，ρ_p與其理論振幅透射系數的關系為：

在入射光波的偏振特性對激光透射比的影響下，當下行信道的激光偏振方向相對于法平面的方位角為β時，基于步驟2)中的得到的上下行信道上s波和p波的振幅透射系數，得到下行信道的激光透射比ρ和上行信道的激光透射比ρ′為：

其中，β′表示折射光線的偏振方向相對于法平面的方位角，其計算公式為：

將上下行信道的激光透射比相乘，得到激光光束在海-氣界面入射點的總透射比ρ_wg為：ρ_wg＝ρ·ρ′，由此建立海面入射點激光透射比模型；

所述建立復雜環境下海-氣界面激光透射比數學模型具體包括如下步驟：

采用基于海浪譜的Gestner海浪譜模型對海面進行模擬仿真，得到不同海面風速S下的海浪譜模型，基于所述海浪譜模型和所述海面入射點激光透射比模型，利用加權統計平均方法得到二維海面上激光束入射光斑內平均透射比為：

其中，Ψ(x，y，t)為光斑內透射比分布，其是與位置和時間相關的分布函數；ω(x，y，t)為加權平均的權重因子，因海浪程度與運動狀態的不同，權重因子隨位置和時間發生改變；R為海面光斑半徑，其以激光能量衰減到中心能量1/e作為光斑邊界條件，求解目標海面上激光輪廓信息得到，

當海面仿真區域面積擴大時，所述二維海面上激光束入射光斑內平均透射比趨于一特征值用所述特征值作為復雜環境下海-氣界面激光透射比，由此建立復雜環境下海-氣界面激光透射比數學模型；

S5.針對海體傳輸子過程，基于分子散射和吸收模型，建立復雜海體環境下激光海水衰減系數數學模型；

S6.根據步驟S3中建立的復雜環境下激光低層大氣衰減系數數學模型、步驟S4中建立的復雜環境下海-氣界面激光透射比數學模型以及步驟S5中建立的復雜海體環境下激光海水衰減系數數學模型，基于比爾定律，建立復雜環境影響下的海洋-低層大氣激光傳輸模型。