潛艇激光光場(chǎng)時(shí)間分布的數(shù)值模擬

吳方平等

摘 要：采用蒙特卡羅抽樣方法，模擬了潛艇激光光場(chǎng)的時(shí)間分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)激光源深度一定時(shí)，接收光子數(shù)目和接收光子能量的峰值時(shí)間、峰值高度和峰值寬度基本都不隨海面風(fēng)速變化；海面風(fēng)速一定時(shí)，接收光子數(shù)目和接收光子能量的峰值時(shí)間和峰值數(shù)目受激光源影響較大，表明相比海面風(fēng)速，激光源深度對(duì)激光通信的影響較大。

關(guān)鍵詞：激光探測(cè) 時(shí)域展寬 蒙特卡羅方法

中圖分類號(hào)：TN958.98 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（c）-0191-02

機(jī)載海洋激光雷達(dá)是探測(cè)水下地形地貌和水下物體的重要遙測(cè)遙感手段， 近幾年來(lái)機(jī)載海洋激光雷達(dá)的應(yīng)用得到了較大的發(fā)展。海洋激光雷達(dá)應(yīng)用中， 研究水體以及海水空氣界面對(duì)激光的散射對(duì)于激光測(cè)深和水下目標(biāo)探測(cè)研究有著極其重要的意義[1]。海水中含有的溶解物質(zhì)、懸浮體和種類繁多的活性有機(jī)體造成了海水的各種不均勻性，使得光在水中傳輸時(shí)能量衰減比在大氣中嚴(yán)重，水下激光成像探測(cè)技術(shù)研究的主要問(wèn)題之一就是確定激光在海水中的衰減特性。光在海水中的衰減來(lái)自吸收和散射兩種不同的過(guò)程[2]。由于激光在介質(zhì)中的傳播是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程由于多種因素特別是多次散射的影響， 建立完整的隱蔽深度的解析表達(dá)式是十分困難的，在這方面蒙特卡羅模擬方法提供了一條捷徑[3]。目前的研究主要集中在下行激光的能量特征，但潛艇實(shí)際通信中更側(cè)重上行激光，且海水介質(zhì)對(duì)激光場(chǎng)的時(shí)間分布影響要大于能量分布。該文基于蒙特卡羅模擬方法，模擬潛艇上行激光時(shí)間分布，并總結(jié)出一些規(guī)律。

2.1 風(fēng)速與接收光子數(shù)目的時(shí)間分布的關(guān)系

取激光源深度為10m，海面風(fēng)速為5m/s和30m/s時(shí)，接收光子數(shù)目的時(shí)間分布模擬結(jié)果如圖1和圖2所示，圖中光子數(shù)目為歸一化的量值。

對(duì)比圖1和圖2，雖然風(fēng)速變化較大，但光子的時(shí)間分布都只出現(xiàn)一個(gè)峰值，且峰值時(shí)間、峰值寬度和峰值高度都比較接近，這說(shuō)明在激光源深度一定時(shí)，風(fēng)速對(duì)接收光子數(shù)目的影響較小。

2.2 風(fēng)速與接收光子權(quán)值的時(shí)間分布的關(guān)系

取激光源深度為10m，海面風(fēng)速為5m/s和30m/s時(shí)，接收光子權(quán)值的時(shí)間分布模擬結(jié)果如圖3和圖4所示，圖中光子權(quán)值為歸一化的量值。

圖3和圖4的對(duì)比結(jié)果與圖1和圖2的關(guān)系非常接近，只是峰值高度方面，接收光子的權(quán)值比接收光子的數(shù)目略高，而實(shí)際探測(cè)中，接收光子權(quán)值更具有意義，因此不能將接收光子的數(shù)目分布等同接收光子的權(quán)值分布。

2.3 激光源深度與接收光子數(shù)目的時(shí)間分布的關(guān)系

取海面風(fēng)速為15m/s，激光源深度為5m和20m時(shí)，接收光子數(shù)目的時(shí)間分布模擬結(jié)果如圖5所示，圖中光子數(shù)目為歸一化的量值。

圖5結(jié)果表明，在風(fēng)速不變的情況下，隨著激光源深度的增加，峰值時(shí)間延遲并逐漸出現(xiàn)次峰值，峰值高度大幅度降低，表明激光深度對(duì)探測(cè)精度影響較大。

2.4 激光源深度與接收光子權(quán)值的時(shí)間分布的關(guān)系

取海面風(fēng)速為15m/s，激光源深度為5m和20m時(shí)，接收光子權(quán)值的時(shí)間分布模擬結(jié)果如圖6所示，圖中光子權(quán)值為歸一化的量值。

圖6的模擬結(jié)果與圖5比較接近，同樣顯示隨著激光源深度的增加，峰值時(shí)間延遲并出現(xiàn)次峰值，區(qū)別在于在兩者峰值高度比較上，接收光子權(quán)值兩者的高度差要小于接收光子數(shù)目的高度差。

3 結(jié)語(yǔ)

基于蒙特卡羅方法數(shù)值模擬，激光源深度一定時(shí)，接收光子數(shù)目和接收光子能量的峰值時(shí)間、峰值高度和峰值寬度都基本不隨海面風(fēng)速變化；海面風(fēng)速一定時(shí)，接收光子數(shù)目和接收光子能量的峰值時(shí)間和峰值數(shù)目受激光源影響較大，表明相比海面風(fēng)速，激光源深度對(duì)激光通信的影響較大。

參考文獻(xiàn)

[1] 夏珉，楊克成，鄭毅.用蒙特卡羅法研究波動(dòng)水表面對(duì)機(jī)載海洋激光雷達(dá)水下光束質(zhì)量的影響[J].中國(guó)激光，2008，35（2）：178-182.

[2] 鐘曉春，李源慧.激光在海水中的衰減特性[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39（4）：574-577.

[3] 姜璐，朱海，李松.水下目標(biāo)反激光雷達(dá)探測(cè)隱蔽深度的蒙特卡羅計(jì)算[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2005（S6）：250-254.

[4] 吳方平，章曦，楊軍，等.海洋上行激光通信的蒙特卡羅模擬[J].激光與紅外， 2015，45（1）：22-26.