粗糙海面激光透射特性研究

粗糙海面激光透射特性研究
李恪;姚崇斌;谢宝蓉;周勃
【摘要】为改善激光在粗糙海面上透射特性仿真结果的准确性以提高卫星海洋水色遥感应的效率,对不同海况下激光在粗糙海面的透射特性进行了研究.根据激光海面透射原理,用基尔霍夫近似(KA)原理求解激光海面透射场,给出了计算模型.基于Gaussian随机模型对三、四级海况的粗糙海面进行了三维模拟仿真,用解析法计算了激光在海面上的透射特性.结果发现:波长0.532 μm的绿激光对海水有高透射率,入射角小于40°时透射率大于94％;海况对激光的透射率影响较小;与下行透过率相比,上行透射率受入射角的影响较大,入射角大于40°时激光的上行透射率迅速衰减,入射角大于50°时上行透射率几乎为0.
【期刊名称】《上海航天》
【年(卷),期】2016(033)006
【总页数】4页(P78-81)
【关键词】海洋水色遥感应;粗糙海面;激光;海色;透射特性;基尔霍夫近似;双站透射系数;入射角
【作者】李恪;姚崇斌;谢宝蓉;周勃
【作者单位】上海航天电子技术研究所,上海201109;上海航天电子技术研究所,上海201109;上海航天电子技术研究所,上海201109;上海航天电子技术研究所,上海201109
【正文语种】中文
【中图分类】TN249
海水颜色可作为各种能吸收和散射太阳光的海水组分(如浮游植物、有色可溶有机物、矿物粒子、海中气泡)含量的一个指示[1]。

目前，卫星海色遥感中未考虑海中气泡这一重要的光学散射组分。

气泡在上层海洋中无处不在，由于风浪破碎而形成的微气泡大量存在于水下0～10 m深度处，且海中气泡对蓝绿激光具强后向散射
特性，因此针对不同海况，得出准确的激光海面透射系数，对提高卫星海色遥感的准确率有重要的意义[2-3]。

之前的相关研究中，为便于计算，常将三维粗糙海面
简化为二维粗糙海面，并用典型的随机函数模型近似海面的波动。

因其建立的二维粗糙界面与现实中的粗糙界面差别较大，故仿真计算结果的准确性较差[4-5]。

针
对这种不足，本文采用了三维Gaussian随机模型，结合典型海况的特征参数，对不同海况的波动海面建立了三维仿真模型，并基于KA原理本文对不同海况下粗糙海面激光透射特性进行了研究，以提高激光在粗糙海面上透射特性仿真结果的准确性。

假设一束激光入射到粗糙海面上，三维激光漫反射的剖面如图1所示。

图中：S为粗糙海面；ki，ks，kt分别为入射激光束、散射激光束和透射激光束的波矢；分别为海面上方和下方的局部法向矢量；ε0，ε1分别为空气和海水的介电常数；μ0为激光的磁导率。

假设入射激光的入射场Ei可表示为
).
式中为入射场单位矢量；E0为入射场强度幅值；r为接收点位置矢量。

根据Huygens原理，可得散射场Es和透射场Et的表达式分别为
；
.
式中：ω为激光的角频率；r，r′分别为接收点和海面光斑某点处的位置矢量；E(r′)，
H(r′)分别为粗糙海面上r′∈S处的入射电场和磁场；G0(r,r′)，G1(r,r′)分别为空气和海水介质中的并矢格林函数，且
，
.
此处：k0，k1分别为激光在空气和海水中的波数；I0，I1分别为粗糙海面投影在x-y平面上各点的散射矢量和透射矢量的积分[6]。

KA是将粗糙面上任一点处的曲面用切平面代替，并将求出的切平面上的总场代入远区散射场的积分表示式，以求得散射场的一种近似方法。

基尔霍夫近似要求粗糙面相关长度l、起伏方差δ、平均曲率半径Rc大于入射波长λ，具体为。

此处。

因入射激光束的波长为微米级，粗糙海面的波动远大于波长，且k1→∞，故符合基尔霍夫近似的约束条件，可用基尔霍夫近似方法求解激光海面透射场。

粗糙海面的激光透射场Et(r)为随机场，可将其分解成平均场Etm(r)和起伏部分
εt(r)，即
根据KA原理，可将透射场表示为
.
式中：r为海面光斑与水下透射场中某点间的距离；为r′∈S在x-y平面上的位置矢量；Ao为海面光斑；α，β分别为入射光束在r′∈S处的局部斜率在x、y向上的分量[9]。

因粗糙海面具随机分布特性，根据Gaussian随机模型对不同海况的随机海面进行模拟。

Gaussian随机模型可表示为
.
式中：C″(0)为海面光斑两点间距离ρ=0时相关函数的二阶导数；h为粗糙海面的均方高度[10]。

基于Gaussian随机模型，分别对三级和四级海况进行了模拟，结果如图2所示。

图2中：ξ为海浪高度。

令。

此处分别为x、y、z轴的单位矢量。

则粗糙海面上稳态相位点的斜率分别为
；
海面下方的局部法向矢量
.
将粗糙海面模型中的参数代入进行仿真计算，得激光束在不同入射角度的海面透射率计算模型为
exp.
式中：θi为入射角；η0，η1分别为空气和海水介质中的阻抗；a，b分别为透射
光和入射光的偏振状态；Wab为激光束在不同介质中传输时的偏振系数[11]。

不
同海况时的激光海面透射率计算结果如图3所示。

对仿真计算结果进行分析，可发现：
a)波长为0.532 μm的绿激光对海水有高的透射率。

当θi小于40°时，透射率可
达94%以上。

b)海况对激光的透射率影响较小。

这主要是因为相对海面波动来说，激光波长极短，激光光斑在任何海况下的任意时刻都可视作一个平面。

c)与下行透射率相比，上行透射率受θi的影响很大。

这主要是因为激光束的下行
通道是从光疏介质透射至光密介质，不会发生全反射，而上行通道是从光密介质透射至光疏介质，当θi大于临界角时会发生光的全反射。

因此，当θi>40°时，激光的上行透射率开始迅速衰减；当θi>50°时，上行透射率几乎为0。

本文用Gaussian随机模型模拟不同海况的三维粗糙海面，根据KA原理对激光在不同海况下的海面透射率进行了仿真计算。

研究发现：用Gaussian随机模型模拟不同海况的三维粗糙海面，可使仿真结果更符合实际情况，提高了仿真结果的准确
性。

采用KA原理与三维Gaussian粗糙海面模型结合的仿真计算方法，可在提高准确率的同时，极大地提高计算效率。

激光能量在海面的透射率几乎不受海况影响，但受入射角的影响很大，当入射角大于某临界角(40°)时，激光的透射率将迅速减小。

对激光海面透射率的研究对提高卫星海洋水色遥感效率，有一定的参考价值。

后续研究中，将结合海洋实际情况，设定边界条件，用合理的近似方法简化数值计算的步骤，以进一步提高仿真计算的效率和准确性，为实际工程应用奠定基础。

【相关文献】
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