水下隐身动目标激光探测水面能量散射特性研究
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关 键 词 激 光 ；潜 艇 ；无人水下自航器；漫 反 射 ；双站散射系数；海面
中 图 分 类 号 T N 219 D O I：10. 3969/j. issn. 1672-9730. 2016. 07. 037
Characteristics of Laser Scattering from Rough Water Surface Based on Detection of Underwater Stealth Moving Target
Vol.36 No.7
154
Ship 舰Ele船ctr电oni子c E工ng程ineering
总第265期 2016年第7 期
水下隐身动目标激光探测水面能量散射特性研究
姚瑶孙晓峰陶永勤 (海军7 0 2 厂 上 海 200434)
摘 要 为 了 提 高 卫 星 对 水 下 隐 身 动 目 标 的 探 测 效 率 , 对不同海况下、不同人射角度时的三维激光海面漫反射特性进 行了建模仿真计算，并在实验室条件下对激光人射波动水面后产生的散射场的能量分布特性进行了的研究。首 先 ，根据麦 克斯韦尔方程和边界条件对散射场在各个方向上的分量之间的耦合关系进行了研究，并列出矩阵方程; 然后,利用三维锥形 波对人射激光束进行了模拟; 最 后 ，通过稀疏矩阵规则网格法求解矩阵方程，得出三维双站散射系数,并通过实验对仿真结 果 加 以 验 证 。结 果 表 明 该 方 法 能 够 准 确 地 表 示 波 动 水 面 的 三 维 激 光 漫 反 射 特 性 ,为 进 一 步 研 究 三 维 激 光 海 面 漫 反 射 特 性 奠 定了基础。
虽然是数值计算方法，但是它是将三维的粗糙界面
射角;6C r，：y) 为波高函数一为局部法向矢量;々。和 怂分另彳为激光在大气和水中的波数;大气和水中的
简化为二维界面后得出的数值模拟。由于其所建 立的二维粗糙界面与现实中的粗糙界面差别很大， 因此仿真计算结果的准确性较差。
因 此 ，为 了 得 到 准 确 的 激 光 在 波 动 水 面 上 的 漫
Y A O Y ao SUN X iaofeng T A O Y ongqin
(No. 702 Factory of Navy, Shanghai 200434)
Abstract T o enhance the detection efficiency of satellite against underw ater stealth moving targets? the characteristics of the scattered field of laser from the w ater surface in different roughness and incident angles was studied. First, the cou pling relationships among components in different directions were analyzed and the corresponding m atrix equations from M ax well equations and boundary conditions were solved w ith SMCG. Second, the 3D model of incident laser beam was estab lished w ith 3D tapered wave. Finally, the 3D BSC was get and verified by experiments. The results showed that the 3D BSC was enough accurate to express the characteristics of laser diffusion from w ater surface so that some contributions were made for the further study about the characteristics of laser diffusion from sea surface.
Key Words laser, subm arine, U U V , diffusion, bistatic scattering coefficient, sea surface Class Number T N 2 1 9
i 引言
潜艇 、u u v 等水下隐身动目标具有极大的战 略威慑力和极强的战场信息侦察能力，使得传统的 声口内探测手段遇到了新的挑战。因 此 ，利 用 绿 激 光 x t海水的穿透特性以及绿激光对水下隐身动目标 特 征 的 M ie 散射效应，可以作为探潜体系的一种补 充手段，以进一步提高对水下隐身动目标的探测效 能 。由于不同海况、不同角度入射的激光散射能量 分布具有很大的差异，对于探测效率有着非常大的
影响 。因此，针 对 不 同 海 况 ，得出准确的三维激光 海面漫反射特性，对于提高卫星对水下隐身动目标 的探测范围和准确率具有重要的意义。
由于入射激光束经过粗糙界面漫反射后，不同 偏振状态的激光在各个方向上有着复杂的耦合关 系 。因此为了方便计算，以往求解方法大多基于一 定 的 近 似 条 件 ，如 基 尔 霍 夫 近 似 （Kirchhoff Ap proach，K A )方法[1]，这些近似条件不但对粗糙面 的参数有一定的限制，由于其固有的物理近似势必 带 来 误 差 ，使 得 计 算 结 果 达 不 到 理 想 的 效 果 。二维
* 收 稿 日 期 = 2016年 1 月 1 4 日，修 回 日 期 = 2016年 3 月 2 日
作 者 简 介 :姚 瑶 ，女 ，博 士 ，工 程 师 , 研 究 方 向 ：水下目标探测。来自2016年 第 7 期
舰船电子工程
155
前后向迭代法（Forward-Backward Method，FBM)[2]
中 图 分 类 号 T N 219 D O I：10. 3969/j. issn. 1672-9730. 2016. 07. 037
Characteristics of Laser Scattering from Rough Water Surface Based on Detection of Underwater Stealth Moving Target
Vol.36 No.7
154
Ship 舰Ele船ctr电oni子c E工ng程ineering
总第265期 2016年第7 期
水下隐身动目标激光探测水面能量散射特性研究
姚瑶孙晓峰陶永勤 (海军7 0 2 厂 上 海 200434)
摘 要 为 了 提 高 卫 星 对 水 下 隐 身 动 目 标 的 探 测 效 率 , 对不同海况下、不同人射角度时的三维激光海面漫反射特性进 行了建模仿真计算，并在实验室条件下对激光人射波动水面后产生的散射场的能量分布特性进行了的研究。首 先 ，根据麦 克斯韦尔方程和边界条件对散射场在各个方向上的分量之间的耦合关系进行了研究，并列出矩阵方程; 然后,利用三维锥形 波对人射激光束进行了模拟; 最 后 ，通过稀疏矩阵规则网格法求解矩阵方程，得出三维双站散射系数,并通过实验对仿真结 果 加 以 验 证 。结 果 表 明 该 方 法 能 够 准 确 地 表 示 波 动 水 面 的 三 维 激 光 漫 反 射 特 性 ,为 进 一 步 研 究 三 维 激 光 海 面 漫 反 射 特 性 奠 定了基础。
虽然是数值计算方法，但是它是将三维的粗糙界面
射角;6C r，：y) 为波高函数一为局部法向矢量;々。和 怂分另彳为激光在大气和水中的波数;大气和水中的
简化为二维界面后得出的数值模拟。由于其所建 立的二维粗糙界面与现实中的粗糙界面差别很大， 因此仿真计算结果的准确性较差。
因 此 ，为 了 得 到 准 确 的 激 光 在 波 动 水 面 上 的 漫
Y A O Y ao SUN X iaofeng T A O Y ongqin
(No. 702 Factory of Navy, Shanghai 200434)
Abstract T o enhance the detection efficiency of satellite against underw ater stealth moving targets? the characteristics of the scattered field of laser from the w ater surface in different roughness and incident angles was studied. First, the cou pling relationships among components in different directions were analyzed and the corresponding m atrix equations from M ax well equations and boundary conditions were solved w ith SMCG. Second, the 3D model of incident laser beam was estab lished w ith 3D tapered wave. Finally, the 3D BSC was get and verified by experiments. The results showed that the 3D BSC was enough accurate to express the characteristics of laser diffusion from w ater surface so that some contributions were made for the further study about the characteristics of laser diffusion from sea surface.
Key Words laser, subm arine, U U V , diffusion, bistatic scattering coefficient, sea surface Class Number T N 2 1 9
i 引言
潜艇 、u u v 等水下隐身动目标具有极大的战 略威慑力和极强的战场信息侦察能力，使得传统的 声口内探测手段遇到了新的挑战。因 此 ，利 用 绿 激 光 x t海水的穿透特性以及绿激光对水下隐身动目标 特 征 的 M ie 散射效应，可以作为探潜体系的一种补 充手段，以进一步提高对水下隐身动目标的探测效 能 。由于不同海况、不同角度入射的激光散射能量 分布具有很大的差异，对于探测效率有着非常大的
影响 。因此，针 对 不 同 海 况 ，得出准确的三维激光 海面漫反射特性，对于提高卫星对水下隐身动目标 的探测范围和准确率具有重要的意义。
由于入射激光束经过粗糙界面漫反射后，不同 偏振状态的激光在各个方向上有着复杂的耦合关 系 。因此为了方便计算，以往求解方法大多基于一 定 的 近 似 条 件 ，如 基 尔 霍 夫 近 似 （Kirchhoff Ap proach，K A )方法[1]，这些近似条件不但对粗糙面 的参数有一定的限制，由于其固有的物理近似势必 带 来 误 差 ，使 得 计 算 结 果 达 不 到 理 想 的 效 果 。二维
* 收 稿 日 期 = 2016年 1 月 1 4 日，修 回 日 期 = 2016年 3 月 2 日
作 者 简 介 :姚 瑶 ，女 ，博 士 ，工 程 师 , 研 究 方 向 ：水下目标探测。来自2016年 第 7 期
舰船电子工程
155
前后向迭代法（Forward-Backward Method，FBM)[2]