[发明专利]一种复杂环境影响下的海洋-低层大气激光传输建模方法

权利要求书

1.一种复杂环境影响下的海洋-低层大气激光传输建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.根据激光在低层大气、海-气界面、海体三部分环境中的传输机理，将激光探测海下目标的传输过程分为低层大气传输子过程、海面透射子过程、海体传输子过程；

S2.确定各子过程中的环境因子及其特征参数；

所述激光为蓝绿激光，其中通过分析低层大气成分对激光衰减的作用机理，确定低层大气传输子过程中的环境因子为大气分子和气溶胶粒子，特征参数为气温、气压、降水率和能见度；

通过分析激光跨介质传输过程的特性，确定海面透射子过程中的环境因子为海浪，特征参数为海面风速；

通过分析海体成分对激光衰减的作用机理，确定海体传输子过程中的环境因子为水分子、盐分子、有机物和悬浮颗粒，特征参数为水温、盐度、有机物浓度和悬浮物浓度；

S3.针对低层大气传输子过程，基于大气光散射原理，建立复杂环境下激光低层大气衰减系数模型；

S4.针对海面透射子过程，基于几何光学理论，建立激光入射角与海面倾角模型，进一步结合菲涅尔公式建立海面入射点激光透射比模型，然后结合海风海浪谱三维模型，以激光照射在海面上的光斑为研究对象，采用空间剖分技术，对光斑水平分布范围内的光路透射特性进行统计计算，进而建立复杂环境下海-气界面激光透射比数学模型；

其中，所述建立激光入射角与海面倾角模型具体包括如下步骤：

将激光从大气中射入海体的透射路径作为下行信道，将激光经过反射后从海体中射入大气的透射路径作为上行信道，

1)基于几何光学理论，建立下行信道的激光入射角与海面倾角的数学模型：

将海面法线L₁与海浪法线L₂之间的夹角α定义为海面倾角，当海面倾角α取值为时，

下行信道上激光光线相对于当前海浪表面的入射角θ₁为：

θ₁＝|δ-α|

下行信道上出射激光光线的折射角θ₂为：

海水中下行信道上激光出射方向角θ₃为：

其中，n为海水相对于空气的折射率，由菲涅尔折射定律可知δ为下行信道上激光的扫描角；

2)基于几何光学理论，建立上行信道的激光入射角与海面倾角的数学模型：

当海面倾角α取值为时，

上行信道上激光入射角θ′₁为

θ′₁＝|δ′-α|，

上行信道上出射激光光线的折射角θ₂′为

θ′₂＝arcsin[n·sin|δ′-α|]

上行信道上大气中出射激光光线的方向角θ₃′为

θ′₃＝|α+arcsin[n·sin(δ′-α)]|

其中，δ′为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关系为：δ′＝θ₃，θ′₁＝θ₂，θ′₂＝θ₁，θ′₃＝δ；

所述建立海面入射点激光透射比模型具体包括如下步骤：

1)将激光作为入射平面波分解成两个相互垂直的分量s波和p波，其中，s波为垂直于入射面的光分量，p波为平行于入射面的光分量，

基于菲涅尔公式，建立激光入射角与光振幅透射系数模型：

其中，t_s-d为s波的理论振幅透射系数；t_p-d为p波的理论振幅透射系数；μ₁，μ₂分别为大气和海水两介质的磁导率；n₁，n₂分别为大气和海水两介质的折射率；

2)基于步骤1)中建立的激光入射角与光振幅透射系数模型，根据上下行信道的激光入射角与海面倾角的数学模型，得到下行信道上s波的振幅透射系数t_s和p波的振幅透射系数t_p：

以及上行信道上s波的振幅透射系数t′_s和p波的振幅透射系数t′_p：

3)基于步骤2)中得到的上下行信道的激光入射角与光振幅透射系数模型，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与其理论振幅透射系数的关系为：

在入射光波的偏振特性对激光透射比的影响下，当下行信道的激光偏振方向相对于法平面的方位角为β时，基于步骤2)中的得到的上下行信道上s波和p波的振幅透射系数，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′为：

其中，β′表示折射光线的偏振方向相对于法平面的方位角，其计算公式为：

将上下行信道的激光透射比相乘，得到激光光束在海-气界面入射点的总透射比ρ_wg为：ρ_wg＝ρ·ρ′，由此建立海面入射点激光透射比模型；

所述建立复杂环境下海-气界面激光透射比数学模型具体包括如下步骤：

采用基于海浪谱的Gestner海浪谱模型对海面进行模拟仿真，得到不同海面风速S下的海浪谱模型，基于所述海浪谱模型和所述海面入射点激光透射比模型，利用加权统计平均方法得到二维海面上激光束入射光斑内平均透射比为：

其中，Ψ(x，y，t)为光斑内透射比分布，其是与位置和时间相关的分布函数；ω(x，y，t)为加权平均的权重因子，因海浪程度与运动状态的不同，权重因子随位置和时间发生改变；R为海面光斑半径，其以激光能量衰减到中心能量1/e作为光斑边界条件，求解目标海面上激光轮廓信息得到，

当海面仿真区域面积扩大时，所述二维海面上激光束入射光斑内平均透射比趋于一特征值用所述特征值作为复杂环境下海-气界面激光透射比，由此建立复杂环境下海-气界面激光透射比数学模型；

S5.针对海体传输子过程，基于分子散射和吸收模型，建立复杂海体环境下激光海水衰减系数数学模型；

S6.根据步骤S3中建立的复杂环境下激光低层大气衰减系数数学模型、步骤S4中建立的复杂环境下海-气界面激光透射比数学模型以及步骤S5中建立的复杂海体环境下激光海水衰减系数数学模型，基于比尔定律，建立复杂环境影响下的海洋-低层大气激光传输模型。