[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

本發明公開了一種復雜環境影響下的海洋?低層大氣激光傳輸建模方法，包括如下步驟：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；確定各子過程中的環境因子及其特征參數；建立復雜環境下激光低層大氣衰減系數模型、復雜環境下海?氣界面激光透射比數學模型、復雜海體環境下激光海水衰減系數數學模型；綜合建立復雜環境影響下的海洋?低層大氣激光傳輸模型。本發明對復雜大氣海洋環境中各種因素耦合對激光光路和能量衰減的作用機理進行深入綜合，建立了完整的復雜環境下藍綠激光探測的全過程傳輸模型，為新型空中平臺對水下目標激光探測設備的研發提供理論支撐。

技術領域

本發明涉及環境建模與仿真領域以及激光探測領域，更具體地，涉及一種復雜環境影響下的海洋-低層大氣激光傳輸建模方法。

背景技術

近年來，各種非聲探測技術迅猛發展，磁、紅外、激光、可見光、雷達等多物理場非聲探測方法在探水下目標手段中所占的比重越來越大。其中，激光、可見光等光學探測技術由于具有可成像、可定向、低延時、主被動結合等優勢，成為當前非聲探測技術的重要發展方向。

藍綠激光探測水下目標是當前激光探測技術的研究熱點之一。藍綠激光的工作波段為450nm～550nm，其在海水中的衰減相較于其他光波段的衰減要小得多，具有十分良好的穿透性，藍綠激光波段成為水下激光信號的傳輸“窗口”。藍綠激光探測作為一種主動探測手段，一般以飛機作為空中平臺搭載藍綠激光發射和接收設備，通過向被測目標發射高功率、窄脈沖的激光，采集和存儲發射激光脈沖和反射激光脈沖波形，并通過一定的信號處理方法，得到被測目標的位置坐標、幾何結構和物理屬性等信息，實現對遠距離水下目標的遙感。

藍綠激光探測技術廣泛應用于地質勘探、大氣檢測、氣象預報、位移測量、海水水文勘測、水下魚群探測，海洋環境監測和地理科學等諸多領域。因此，發展和應用藍綠激光探測技術以對我國遼闊海洋進行深入研究和開發，在國民經濟和國防建設中均具有巨大的價值和應用前景。

我國在藍綠激光探測技術研究起步較晚，相關理論不成熟，對復雜環境下激光探測全過程的傳輸建模研究不夠深入，且都是對海上大氣、海洋中海水體和水下目標分別進行研究，缺乏系統性分析，暫時沒能形成一套完整的復雜環境激光傳輸理論和模型。

藍綠激光從發射到接收回波的傳輸過程中，必然要經過包括低層大氣-海面-海體在內的跨介質的復雜環境，復雜海洋-低層大氣環境的不確定性給激光傳輸帶來的影響主要包括：

1.激光在低層大氣中傳輸過程中受到大氣分子和雨、霧、霾等不同氣象條件下氣溶膠粒子的吸收和散射，作用機理較難建模；

2.激光的入射、出射在海洋-大氣界面受海面海風、海浪的動態特性影響，造成傳輸光路路徑的不確定性和相應的能量損失，機理分析復雜；

3.海水中各類不同的懸浮物對激光雷達探測回波信號的方向和強度均有很大影響，影響過程復雜。

因此研究藍綠激光在的低層大氣-海面-海洋共同組成的復雜環境中的傳輸特性，建立受環境參數影響的激光傳輸模型是突破藍綠激光探測技術瓶頸的理論基礎，可為復雜環境下藍綠激光雷達探測設備的研制和應用提供有效技術支撐。

發明內容

本發明針對藍綠激光水下目標探測的技術瓶頸，分析了藍綠激光在海洋-低層大氣跨介質復雜環境中的傳輸特性，對復雜大氣海洋環境中各種因素耦合對激光光路和能量衰減的作用機理進行深入綜合，結合經典的經驗解析方法和仿真統計方法，建立了完整的復雜環境下藍綠激光探測的全過程傳輸模型，為新型空中平臺對水下目標激光探測設備的研發提供理論支撐。

根據本發明的一方面，提供了一種復雜環境影響下的海洋-低層大氣激光傳輸建模方法，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；