潛艇激光光場時間分布的數(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的時間分布，結果發(fā)現(xiàn)激光源深度一定時，接收光子數(shù)目和接收光子能量的峰值時間、峰值高度和峰值寬度基本都不隨海面風速變化；海面風速一定時，接收光子數(shù)目和接收光子能量的峰值時間和峰值數(shù)目受激光源影響較大，表明相比海面風速，激光源深度對激光通信的影響較大。

關鍵詞：激光探測 時域展寬 蒙特卡羅方法

中圖分類號：TN958.98 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0191-02

機載海洋激光雷達是探測水下地形地貌和水下物體的重要遙測遙感手段， 近幾年來機載海洋激光雷達的應用得到了較大的發(fā)展。海洋激光雷達應用中， 研究水體以及海水空氣界面對激光的散射對于激光測深和水下目標探測研究有著極其重要的意義[1]。海水中含有的溶解物質、懸浮體和種類繁多的活性有機體造成了海水的各種不均勻性，使得光在水中傳輸時能量衰減比在大氣中嚴重，水下激光成像探測技術研究的主要問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自吸收和散射兩種不同的過程[2]。由于激光在介質中的傳播是一個復雜的過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，但潛艇實際通信中更側重上行激光，且海水介質對激光場的時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間分布，并總結出一些規(guī)律。

2.1 風速與接收光子數(shù)目的時間分布的關系

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

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

2.2 風速與接收光子權值的時間分布的關系

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

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

2.3 激光源深度與接收光子數(shù)目的時間分布的關系

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

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

2.4 激光源深度與接收光子權值的時間分布的關系

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

圖6的模擬結果與圖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，接收光子權值兩者的高度差要小于接收光子數(shù)目的高度差。

3 結語

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

參考文獻

[1] 夏珉，楊克成，鄭毅.用蒙特卡羅法研究波動水表面對機載海洋激光雷達水下光束質量的影響[J].中國激光，2008，35（2）：178-182.

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

[3] 姜璐，朱海，李松.水下目標反激光雷達探測隱蔽深度的蒙特卡羅計算[J].彈箭與制導學報，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.