潜艇激光光场时间分布的数值模拟

吴方平等

摘 要：采用蒙特卡罗抽样方法，模拟了潜艇激光光场的时间分布，结果发现激光源深度一定时，接收光子数目和接收光子能量的峰值时间、峰值高度和峰值宽度基本都不随海面风速变化；海面风速一定时，接收光子数目和接收光子能量的峰值时间和峰值数目受激光源影响较大，表明相比海面风速，激光源深度对激光通信的影响较大。

关键词：激光探测 时域展宽 蒙特卡罗方法

中图分类号：TN958.98 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（c）-0191-02

机载海洋激光雷达是探测水下地形地貌和水下物体的重要遥测遥感手段， 近几年来机载海洋激光雷达的应用得到了较大的发展。海洋激光雷达应用中， 研究水体以及海水空气界面对激光的散射对于激光测深和水下目标探测研究有着极其重要的意义[1]。海水中含有的溶解物质、悬浮体和种类繁多的活性有机体造成了海水的各种不均匀性，使得光在水中传输时能量衰减比在大气中严重，水下激光成像探测技术研究的主要问题之一就是确定激光在海水中的衰减特性。光在海水中的衰减来自吸收和散射两种不同的过程[2]。由于激光在介质中的传播是一个复杂的过程由于多种因素特别是多次散射的影响， 建立完整的隐蔽深度的解析表达式是十分困难的，在这方面蒙特卡罗模拟方法提供了一条捷径[3]。目前的研究主要集中在下行激光的能量特征，但潜艇实际通信中更侧重上行激光，且海水介质对激光场的时间分布影响要大于能量分布。该文基于蒙特卡罗模拟方法，模拟潜艇上行激光时间分布，并总结出一些规律。

2.1 风速与接收光子数目的时间分布的关系

取激光源深度为10m，海面风速为5m/s和30m/s时，接收光子数目的时间分布模拟结果如图1和图2所示，图中光子数目为归一化的量值。

对比图1和图2，虽然风速变化较大，但光子的时间分布都只出现一个峰值，且峰值时间、峰值宽度和峰值高度都比较接近，这说明在激光源深度一定时，风速对接收光子数目的影响较小。

2.2 风速与接收光子权值的时间分布的关系

取激光源深度为10m，海面风速为5m/s和30m/s时，接收光子权值的时间分布模拟结果如图3和图4所示，图中光子权值为归一化的量值。

图3和图4的对比结果与图1和图2的关系非常接近，只是峰值高度方面，接收光子的权值比接收光子的数目略高，而实际探测中，接收光子权值更具有意义，因此不能将接收光子的数目分布等同接收光子的权值分布。

2.3 激光源深度与接收光子数目的时间分布的关系

取海面风速为15m/s，激光源深度为5m和20m时，接收光子数目的时间分布模拟结果如图5所示，图中光子数目为归一化的量值。

图5结果表明，在风速不变的情况下，随着激光源深度的增加，峰值时间延迟并逐渐出现次峰值，峰值高度大幅度降低，表明激光深度对探测精度影响较大。

2.4 激光源深度与接收光子权值的时间分布的关系

取海面风速为15m/s，激光源深度为5m和20m时，接收光子权值的时间分布模拟结果如图6所示，图中光子权值为归一化的量值。

图6的模拟结果与图5比较接近，同样显示随着激光源深度的增加，峰值时间延迟并出现次峰值，区别在于在两者峰值高度比较上，接收光子权值两者的高度差要小于接收光子数目的高度差。

3 结语

基于蒙特卡罗方法数值模拟，激光源深度一定时，接收光子数目和接收光子能量的峰值时间、峰值高度和峰值宽度都基本不随海面风速变化；海面风速一定时，接收光子数目和接收光子能量的峰值时间和峰值数目受激光源影响较大，表明相比海面风速，激光源深度对激光通信的影响较大。

参考文献

[1] 夏珉，杨克成，郑毅.用蒙特卡罗法研究波动水表面对机载海洋激光雷达水下光束质量的影响[J].中国激光，2008，35（2）：178-182.

[2] 钟晓春，李源慧.激光在海水中的衰减特性[J].电子科技大学学报，2010，39（4）：574-577.

[3] 姜璐，朱海，李松.水下目标反激光雷达探测隐蔽深度的蒙特卡罗计算[J].弹箭与制导学报，2005（S6）：250-254.

[4] 吴方平，章曦，杨军，等.海洋上行激光通信的蒙特卡罗模拟[J].激光与红外， 2015，45（1）：22-26.