春季黃海海霧中的激光衰減特性研究

陳凱諾，邵利民，艾　陽，戴仁威，吳克亮

（1.海軍大連艦艇學院，遼寧 大連116018；2.東海艦隊水文氣象中心參謀部37分隊，浙江 寧波315122；3.海軍舟山水警區司令部氣象臺，浙江 舟山 316000）

春季黃海海霧中的激光衰減特性研究

陳凱諾1，邵利民1，艾陽2，戴仁威3，吳克亮3

（1.海軍大連艦艇學院，遼寧 大連116018；2.東海艦隊水文氣象中心參謀部37分隊，浙江 寧波315122；3.海軍舟山水警區司令部氣象臺，浙江 舟山 316000）

海霧嚴重影響艦艇航行，而且在霧中艦載激光武器和激光雷達的工作效能受到制約。因此，研究激光在霧中的衰減特性對軍事行動具有重要的科學意義。基于WRF中尺度氣象研究模式，對2015年3月28日-4月1日的海霧過程進行模擬分析，發現使得海霧維持的是黃海南部輸送來的暖濕氣流，隨后一個很強的冷高壓使得風向轉北，干冷平流切斷了水汽輸送，破壞了逆溫層結構，海霧消散。考慮到春季黃海海霧產生和消散的天氣形勢，在海霧剛產生時，下風區的激光衰減系數?。缓ｌF維持過程中，海霧霧區的外圍衰減系數??；海霧快要消散時上風區衰減系數小。研究發現，海霧可以使得10.6 μm紅外激光的探測距離大大減小，在濃霧情況下，探測距離僅為正常情況下的2%。

黃海海霧；云水混合比；數值模擬；激光衰減系數；探測距離

海霧是懸浮在海洋大氣邊界層中的大量水滴使得海上大氣水平能見度小于1 km的一種天氣現象［1］。黃海海域是我國沿海海霧頻發的海域之一。海霧往往能造成能見度急劇降低，給海上交通帶來不便，一些海上交通事故譬如兩船相撞、觸礁等多半源于海霧，而海霧對于軍事行動也有重要影響，嚴重影響艦艇的航線，而且艦載激光武器和激光雷達的工作效能也受到天氣現象（如雨、雪、海霧、大風等）的制約，因此，研究激光在霧中的衰減特性對軍事行動具有重要的科學意義。

激光是由激光器所發射的光，是處于激發狀態的原子（或離子、分子）受激輻射產生的，它可以是可見光，也可以是紅外或紫外光。但與普通光相比，具有相干性好、方向性強、亮度高和單色性好等特點。因此，在軍事偵察領域，激光具有廣泛的應用價值。

王海先等［2］采用激光測距儀對實際目標測距的方法進行檢驗，通過實際測距，證明用經驗公式計算的測距能力與真實測距能力接近。而透過率法由于需要確定的氣象參數較多，計算較為復雜，因此，建議在近紅外波段，采用經驗公式法確定大氣衰減系數。孫超等［3］基于gamma霧滴分布模型以及輻射霧和平流霧粒徑分布與能見度的經驗關系不同波長激光在兩種霧中傳輸時，波長較長激光的衰減率都比波長較短激光的衰減率低；10.6 μm激光在平流霧中衰減率大于在輻射霧中的衰減率；對不同波長激光在兩種霧中傳輸透射率比較發現，波長較短激光在平流霧中的透射性能較好，波長較長激光在輻射霧中的透射性能較好。魏海亮等［4］通過與其他經驗模型的比較分析，說明了Mie衰減模型更可靠、有效，并仿真了衰減系數隨波長、能見度及溫度的變化，通過分析發現，衰減系數隨著波長變大而振蕩變化；能見度對衰減系數的影響最大，二者成反比關系；相對波長、能見度，溫度對衰減特性的影響相對較小。

王亞民等［5］根據輻射霧和平流霧中含水量和能見度的經驗關系，分析了霧天氣對激光大氣傳輸衰減的計算公式，并對3種常用的霧衰減經驗模型進行Matlab數值仿真，得出了激光衰減系數和霧中能見度的關系并且通過Mie散射理論提出了一種包含測量距離、接收器視場角等信息的新的經驗公式。

然而，之前的研究都是脫離天氣形勢對激光衰減特性進行分析，往往一些典型的天氣形勢才會帶來溫度、相對濕度、風場、云水混合比等物理量的變化。由于WRF模式支持更高的網格分辨率（1～10 km），采用比其他模式更好的地形數據，并且在更長的時間步長下也能保證計算的穩定性，所以，本文先基于WRF中尺度氣象研究模式對2015年3月28日-31日持續4天的春季平流霧海霧過程進行模擬分析，并分析10.6 μm遠紅外波段的激光在春季平流霧中的衰減特性。（注：本文所說時間均為北京時）

該次黃海海霧過程與其他黃海春季海霧過程基本類似，均為“東高西低”的地面天氣系統（圖略），霧區范圍大，持續時間很長，使得海霧維持的也是南方或東南方輸送來的暖濕氣流，隨后一個很強的冷高壓使得風向轉北，干冷平流切斷了水汽輸送，破壞了逆溫層結構，海霧消散。

1　數值模擬結果分析與檢驗

1.1WRF模式主要參數設置

本文選用的資料有：美國國家環境預報中心（NCEP）提供的1°×1°FNL客觀再分析資料，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）提供的日平均SST數據和站點能見度數據，日本高知大學紅外氣象衛星云圖。

網格設置為子母網格比率為3，在水平方向上：粗網格的分辨率30 km，細網格的分辨率10 km，垂直方向分為44層，采用η坐標系，中心位置為38.63°N、122.90°E。微物理過程方案采用WSM3類簡單冰方案，輻射方案采用rrtm長波輻射方案，Dudhia短波輻射方案。近地面層方案采用Monin-Obukhov方案，陸面過程方案采用熱量擴散方案，邊界層方案采用YSU方案，積云參數化方案采用淺對流Kain-Fritsch（new Eta）方案，初始邊界條件使用的是2015年3月28日00時-31日24時FNL客觀再分析資料，積分時長為96 h。

與此同時，在選用擾動邊界層和陸面物理過程時（sf_sfclay_physics=1）考慮了地面熱量和水汽通量，輻射光學厚度中考慮了云的影響（僅當ra_sw_physics=1和ra_lw_physics=1時有效）。美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）提供的日平均SST數據作為海表溫度下墊面數據。

淺對流Kain-Fritsch（new Eta）方案利用了一個簡單的云模式伴隨水汽的上升和下沉，同時包括了卷入和卷出，以及相對粗糙的微物理過程的作用；YSU是MRF邊界層方案的第二代。對于MRF增加了處理邊界層頂部夾卷層的方法。因此選擇以上的參數化方案。

1.2霧區結果檢驗

將日本高知大學的實時紅外云圖和模擬出來的霧區進行對比，如圖1（a）和圖1（b），發現兩張圖的霧區基本吻合，可見本次模擬較好地再現了此次海霧的時空分布和強度特征。

圖1　實時紅外云圖與模似霧區圖對比

1.3能見度模擬計算結果

Koschmieder從能見度的角度定義了可見光消光系數β（km-1），表達式為：

式中：Vis為水平能見度（m）；C為閾值亮度對比度，取值0.02。于是得到：

式中：β為云消光系數，β=144.7Ccw0.88；CCW表示含有云水的空氣密度（單位g/cm3）。

根據式（1）～式（3）計算得到的值和測站能見度資料幾乎相同，可見本文選取的參數化方案是極其恰當的。

2　激光在平流霧中衰減系數的計算

式中：nr和ni分別為復折射率的實部和虛部，其中顆粒尺寸參數；r為粒子半徑；λ為激光波長。對于波長λ=10.6 μm，對應的水負折射率：m=1.178-i×0.071。霧滴半徑一般在1～13 μm，顆粒尺寸參數＞1，上述公式完全適用。

同時由于霧滴尺寸通常用微米（μm）表示，得到霧滴粒子半徑以微米表示的霧滴尺寸分布（單位為m-3μm-1）:

平流霧：

由于在低能見度條件下，霧對激光的散射就不是單純的單次散射，而是要考慮多次散射效應，所以應用前向散射修正后的衰減公式，這個公式考慮了視場角θ的信息。

Deepak［7］等人對多次散射和前向散射的問題做研究，證明在多次散射影響下，光束的前向幾度范圍內存在一個比較大的峰值，這種前向峰值效應使得光衰減大大降低。Adarsh Deepak和O H Vanghan［8］提出一個前向散射修正系數R的近似公式：

式中：α為尺度參數；θ為散射角；J0（αθ）和J1（αθ）分別為零階和一階貝賽爾函數。

修正后的衰減效率因子：

因此修正后的衰減計算公式（單位dB/km）:

式中：r1和r2分別為1 μm和13 μm。

3　10.6 μm激光在春季平流霧中衰減特性研究

大氣對激光的散射和吸收效應引起激光的衰減。激光在大氣介質中傳輸時的衰減取決于大氣的消光系數。霧是由水滴組成的，對激光除有散射作用外，吸收作用也不可忽視，而且霧滴對激光的衰減遠遠大于分子對激光的吸收和散射。1969年，激光測距技術被應用到軍事上，測量范圍從幾百米到幾十千米，相應的精度要求從幾十厘米到幾十米。文中分析的10.6 μm波長的激光目前作為軍用脈沖激光測距儀即CO2脈沖激光器的工作波長。脈沖式激光測距儀由3個基本部分組成，即激光發射裝置、接收裝置和信息處理裝置。激光發射裝置的任務是發射峰值功率高、光束發散角小的激光脈沖，使其經發射光學系統進一步準直后，射向被測目標。接收裝置是接收從被測目標反射回來的微弱脈沖信號，經接收光學系統聚焦或縮小光束截面后，照在光電探測器的光敏面上，使光信號變為電信號。信息處理裝置是測量脈沖從測距儀到被測目標往返一次的時間，并顯示出準確的距離。

3.1黃海春季平流霧中衰減系數分布

圖2　模擬得到的衰減系數分布圖（單位：dB/Km）

3月28日14時的時候（圖2a），激光被衰減的區域呈一個條形，跟霧區對應，霧區邊緣衰減系數為5 dB/km左右，霧區中心的衰減系數可達到55 dB/km；28日22時 （圖2b）黃海北部能見度減小到250 m，對應的衰減系數高達1 200 dB/km，地面對應大霧，而且結合風場來看，多為西南風，海霧發展的時候上風區由于水汽充足，水汽混合比和云水混合比均比較大，所以衰減系數在霧區里自西南向東北方向遞減，陸地上即使有霧，衰減系數也為200 dB/km以下，31日01時（圖2c），風向轉為東南風，有的地面能見度接近100 m，衰減系數高達1 300 dB/km以上 ，而且衰減系數自東南向西北方向遞減，4月1日04時（圖2d）在冷空氣南下的作用下黃海北部沿岸以及海上的能見度均大于5 km，天氣轉為晴好，激光衰減系數高值區開始南移，黃海北部和中部衰減系數接近0，只有大氣中的分子衰減作用，可忽略不計，風場為偏北風時，上風區水汽輸送渠道被切斷，云水混合比和比濕急劇下降，因此上風區的衰減系數低，而下風區的衰減系數高。

由于10.6 μm激光波長對大氣穿透能力優于1.06 μm，能在較低能見度和戰場煙幕等大氣條件下工作，而且能與8～12 μm波段內的典型熱成像系統兼容并可共用接收光學系統和探測器，能有效實現熱成像儀能探測到的絕大多數目標；因此目前仍具有無法取代的獨特優點，裝備量已擴大到陸、海、空三軍，目前仍有廣泛的軍事應用。將激光衰減率降低到最小是目前需要解決的問題。考慮到海霧產生和消散的天氣形勢，在海霧剛產生時，要占據下風區；海霧維持過程中，要占據海霧霧區的外圍；海霧快要消散時，占據上風區，這樣才能把衰減率降低，提高探測距離。

3.210.6 μm激光在春季平流霧中探測距離研究

對于不同的紅外武器系統，加上系統的修正因子K，同時考慮各種因素的影響，其作用距離一般可寫成如下形式［9］：

式中：Jλ1-λ2為波段范圍λ1-λ2內的輻射強度值；為波段范圍內的大氣透過率；τ0為光學系統的光譜透過率；D*為敏感元件在波段區間內的平均光譜探測度；ω為系統的瞬時視場；Δf為電路等效噪聲帶寬；為系統的信噪比；K為系統的修正因子［10］；D0（NA）為光學系統的有效入射孔徑的面積；NEFD為噪聲等效通量密度。

由式（12）可知，當系統穩定、目標參數一定時，紅外系統作用距離與大氣透過率有如下關系：

式中：K0為式（12）中各已知參數的計算值。

對于衰減率分布不均勻的海霧場，若已知海霧衰減率的分布，便可利用式（13）求出探測距離。設a（dB/km）為海霧衰減率，A（dB）為至距離d處的衰減度，則：

Φ（d）是一個單調增函數，在探測距離以內，其值小于K0，即d＜Dmax時，Φ（d）＜K0；d＞Dmax時，Φ（d）＞K0。設某型紅外探測裝備晴天下對某特定目標的最大探測距離為14 km，測得此時大氣透過率為0.92，可估算出K0=14.596；K0的值也可以根據系統參數由式（12）計算得到。本文由式（11）計算了2015年3月31日17時黃海大霧時10.6 μm紅外波的衰減率分布，設定紅外探測器經緯度，由式（17）和式（18）求得每個方向（間隔1度）的探測距離，得到紅外系統探測距離評估圖象，如圖3所示。

圖3　10.6 μm紅外系統探測距離評估圖

圖3中間的十字交叉點表示紅外探測器的位置，外圈表示在正常情況下的探測距離，內圈表示在不同濃度海霧情況下各個方向的探測距離。由圖3可知，在海霧條件下，即使傳輸性能較好的10.6 μm波仍然受到嚴重的衰減，在云水混合比不到0.02 g/kg（能見度約700 m）的情況下探測距離可損失55%以上；云水混合比為0.05 g/kg左右時（能見度約400 m）探測距離僅為正常情況下的10%；而在濃霧情況下（云水混合比約0.25 g/kg，能見度約50 m）探測距離僅為正常情況下的2%。圖3的探測距離評估圖象中也可以將中間的點設為目標，則圖3中的內圈表示為對目標在各個方位的探測距離。

4　結論

（1）該次黃海海霧過程與其他黃海春季海霧過程基本類似，均為“東高西低”的地面天氣系統，霧區范圍大，持續時間很長，使得海霧維持的也是南方或東南方輸送來的暖濕氣流，隨后一個很強的冷高壓使得風向轉北，干冷平流切斷了水汽輸送，破壞了逆溫層結構，海霧消散。

（2）春季黃海海霧發展的時候多為偏南風，上風區由于水汽充足，水汽混合比和云水混合比均比較大，所以衰減系數自西南向東北方向遞減；風場為偏北風時，上風區水汽輸送渠道被切斷，云水混合比和比濕急劇下降，因此上風區的衰減系數低，而下風區的衰減系數高。

（3）在海霧條件下，即使傳輸性能較好的10.6 μm波仍然受到嚴重的衰減，在輕霧（能見度約700 m）的情況下探測距離可損失55%以上；大霧時（能見度約400 m）探測距離僅為正常情況下的10%；而在濃霧情況下（云水混合比約0.25 g/kg，能見度約50 m）探測距離僅為正常情況下的2%。

［1］王彬華.海霧［M］.北京：海洋出版社，1983：10-12.

［2］王海先，葉艾.大氣衰減系數對激光測距能力影響的研究［J］.艦船科學技術，2007，06：116-119.

［3］孫超，王紅霞，傅關新，等.霧對激光的衰減特性研究［J］.光散射學報，2011，03：201-205.

［4］魏海亮，邵利民，李茂林.基于Mie理論的激光霧中傳輸衰減特性研究［J］.艦船電子工程，2014，01：148-151.

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［6］柯熙政，馬冬冬，劉佳妮.激光在霧中傳輸的衰減研究［J］.光散射學報，2009，02：104-109.

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［8］Adarsh Deepak，Michael A Box.Forward-scattering corrections for optical extinction measurements in aerosol media.2：Polydispersions［J］.Appl Opt，1978，17（19）：3169-3176.

［9］王威，李進杰，顧德均，等.紅外輻射的氣候環境傳輸特性分析［J］.激光與紅外，2000，30（5）：290-292.

［10］J A Milbrandt，MK Yau.A multimoment bulk microphysics parameterization.Part I：Analysis of the role of the spectral parameter［J］.Journal ofthe atmosphere sciences，2005，62（9）：3051-3064.

Analysis on the Laser Attenuation Characteristics in the Sea Fog Over Spring in the Yellow Sea

CHEN Kai-nuo1，SHAO Li-min1，AI Yang2，DAI Ren-wei3，WU Ke-liang3
1.Department of Graduate Management，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，Liaoning Province，China；
2.The 37th Team of East China Sea Fleet Hydrologic Meteorological Center Staff，Ningbo 315122，Zhejiang Province，China；
3.The Navy Zhoushan Maritime Garrison Command Headquarters Observatory，Zhoushan 316000，Zhejiang Province，China；

Sea fog can seriously affect navigating vessels，and the working efficiencies of ship-borne laser weapons and laser radars are constrained by heavy sea fog.Therefore，it is of vital importance to study the characteristics of laser attenuation in the fog.Based on the WRF mesoscale meteorological model，this paper is to analyze and simulate the process of sea fog from March 28 to April 1，2015.It is found that the warm air stream delivered from the south of the Yellow Sea made the sea fog last for a long time.And then a strong cold high pressure made the wind direction turn to north while dry and cold air advection stopped the water vapor from transporting，which had destroyed the inversion layer structure.After that the sea fog dissipated.Considering the weather conditions in spring in the Yellow Sea during the generation and dissipation of sea frog，it can be concluded that when the sea fog has just produced，the laser attenuation coefficient is low in the wind zone below.In the process of sea fog lasting，the laser attenuation coefficient is low on the edge of the fog area.And the coefficient is low in the windward area when the sea fog is about to dissipate.This study has also found that sea fog can make 10.6 μm infrared laser detection range greatly decrease.Under the condition of dense fog，the detection range becomes only 2%of the normal range.

sea fog over the Yellow Sea；cloud water mixing ratio；numerical simulation；laser attenuation coefficient；detection range

P732；P458

A

1003-2029（2016）04-0060-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.04.012

2016-03-29

陳凱諾（1991-），男，碩士研究生，主要從事海霧數值模擬和激光衰減特性研究。E-mail：837677852@qq.com