基于多波长激光探测海洋大气波导机理及实验研究

吴荣华,李胜勇,任席闯

(1.海军工程大学电子工程学院,湖北 武汉 430033,2.91001部队)

1 引 言

大气波导由于具有能够显著影响无线电系统覆盖范围等使用效能的特性,使得其具有重要的军事和民用应用价值,一直是世界强国关注的热点问题。在军事应用上,海上大气波导环境对海上作战至关重要,可以影响舰载和机载雷达、侦察、电子对抗和通信装备的效能,进而直接影响海上超视距打击、防空反导的能力,是指挥人员制订作战预案必须考虑和掌握的海上环境因素；在民用应用上,大气波导可以影响移动通信系统传输能力、通话质量等指标,也可使民用船舶自动识别系统(AIS)、广播式自动相关监视系统(ADS-B)等关乎民用交通安全的设备发生性能增效或降能现象[1-3]。

受环境条件影响形成的大气湍流也会存在于低空大气波导中,并可以造成大气修正折射率随机变化的混沌现象,进而会造成在低空大气波导中传播的电磁能量泄露和电波传播损耗的随机起伏,使雷达等电子设备性能发生变化。海洋大气波导的非均匀性、湍流扰动性使得在研究低空大气波导时不能简单地将其认为是均匀、无扰动的气层[4-6]。

利用激光探测大气波导的技术在国内外文献中有发表,但其基本方法均是利用激光雷达分别测量大气温度、湿度,然后计算大气折射率剖面来作为波导判据。美国R.Hivey,J.Rosenthal等人从1994年起在这方面做了研究。美国海军Paul A.Frederickson等人进行了RED实验,在13 m高度发射,接收在夏威夷主岛瓦胡岛。美国和荷兰海军支持,A.M.J van Eijk和G.J.Kunz等人在2001年开发了Electro-Optical Signal Transmission and Ranging软件以研究海面光传输特性的折射、湍流和吸收效应。本文采用基于激光探测大气波导新技术方法,开展对激光回波信号进行分析以实习海洋大气波导遥感探测,该技术能够实习全方位、高实时、高灵活和高保密性等优点,能够很好满足海洋大气环境波导探测的应用需求[9-11]。

2 理论数据模型与处理算法分析

2.1 激光大气传输衰减理论计算分析

在低空海洋的大气环境中,光的传输特性中散射占主导作用,吸收起相对次要作用。因此通常认为在距离为RV公里范围大气对波长为λ0辐射的透过率由散射决定[7-8]:

τs(λ0,RV)=exp[-δ(λ0)·RV]

(1)

根据公式(1)能够推出得到波长λ0的散射系数σ(λ0)与RV的关系式:

(2)

在近红外波段范围内,波长为λ的散射系数可以由下式得到:

(3)

结合一些实际研究中实测的丰富数据,对公式(3)中参数q值计算表达式采取了区间分段修正,分段函数细化后,尽量使得结果更为精确,修正分段函数表达式为[3]:

(4)

2.2 高分辨率激光断层测量理论建模分析

通过激光雷达主动发射的激光束,在海洋大气中传播同时被其大气气溶胶散射,采用高采样率、高分辨率和宽频带的激光遥感探测系统对不同距离上的能量回波信号进行采样处理分析,得到实时和高精度的大气相关光学参数,结合激光雷达方程能够获取距离为z1,z2两个相邻采样点上信号回波幅度分别为:

(5)

(6)

在实际应用中所采取的采样间隔通常非常小,因此认为存在下面的关系公式:

β(z1)=β(z2)

(7)

T(z)=exp(-σz)

(8)

结合公式(5)、(6)、(7)、(8)能够推导得出在海洋大气中的水平消光系数σ:

(9)

在海洋大气环境中垂直方向的光学厚度为:

(10)

在垂直方向上的大气光学厚度进行对高度z求导,能够推到得出在各个高度上的消光系数为:

(11)

2.3 折射率结构常数的时间和空间分布

根据激光雷达方程中参数特点,将其分解成平均量和脉动量[4-7]为:

(12)

同时将其代入激光雷达方程中,推倒得出:

(13)

光波波段的折射率结构常数时间分布函数为:

(14)

光波波段的折射率结构常数空间分布函数为:

(15)

3 激光探测大气波导实验分析

根据上面的研究思路,我们再通过详细的设计分析研制了用于大气波导探测试验用的激光雷达设备,该激光雷达设备使用后向散射测量的方法,运用高分辨率激光断层回波信号以建模计算海洋大气环境的衰减参数,进而分析计算与大气波导相关的参数数据。该激光雷达设备系统采用脉冲激光器、接收望远镜和信号检测控制处理系统三个基本模块化设计,设备的主要技术参数如表1所示。

表1 激光雷达测试仪主要技术指标Tab.1 The principal technical indicators of laser tester

针对海洋大气环境下蒸发波导发生的关键因素是由于大气湿度随着高度的急剧下降,为了证明利用本文新的激光探测海洋大气波导技术可行性,我们主要的试验思路是利用探空气球搭载自主研制大气温湿度测量仪器系统,该系统采用无线传输的温度传感器和湿度传感器,在南海某特定海区进行试验测量,具体试验方案是选择海洋大气湿度随高度变化剧烈的海区进行试验,采用探空气球测量与激光雷达实时同步测量以比对数据的真实可行性,同时获取测量特定海区的折射率高度剖面数据和图。

同时利用以上同步测量的试验数据进行理论建模计算,分析获取与之相对应的海洋大气气象条件下的实际测量海洋大气消光系数、温湿度以及能见度等参数之间的数据,通过多波长反演理论计算得到其他多波长的反演计算数据,其中波长分别为λ1=0.532 μm,λ2=0.860 μm,λ3=1.060 μm,选取实际测量的实验用激光雷达的数据λ3=1.060 μm作为基础反演其他波长的数据,结果如表2所示。

表2 激光雷达多波长测量反演试验数据Tab.2 Inversion data of lidarmultiwavelength measurement

采用上述自主设计的探空气球温度湿度测量系统和大气波导激光雷达探测设备同步获取的特定海区的试验测量数据,对两者的实时同步数据进行分析计算和处理,结合同时出现海洋环境下大气波导的探空气球数据和激光探测数据进行波导预测的判据比对分析,详细的试验数据结果和剖面图如表3和图1,图2所示。

表3 特定海区测量数据Tab.3 Specific sea area survey data

图1 海面温度、湿度、折射率剖面图Fig.1 The profile of temperature,humidity and refractivity near sea surface

图2 光波段与雷达波折射率比较Fig.2 Comparison of optical and radar refractivity

根据以上激光雷达设备获取的海洋大气环境的高分辨率断层回波信号用斜程数据计算垂直高度的消光系数,根据激光光波段的消光系数高度曲线和常规雷达波段的修正折射指数曲线,两者在曲线拐点的修正折射指数拐点高度具有相似一致性。该结论分析表明,由于在海洋大气环境下海上近洋面不同海况风浪等因素影响,海洋大气水气分子源源不断的融入到大气中,致使近海面湿度非常高,同时叠加了海面上温度剧烈变化,从而造成了海上近洋面雾气层结,在海上试验测试同步获取了典型海面雾气层结构,近海面这种明显的雾气层结构出现明显的分层边界,同时对激光雷达测量的激光回波信号传输形成较大影响,造成消光系数产生波动变化。在分界层结构的下层存在大气气溶胶湿度高同时致使消光系数较大,而在分层结构的上层由于大气气溶胶湿度相较较小致使消光系数偏小,以上测量数据分析结论与通过建模仿真具有很好的一致性。

4 总 结

本文采用理论建模与试验测量相结合的技术对海洋非均匀大气介质中多波长激光传输进行分析研究,给出了利用单波长激光反演多波长激光传输衰减特性的理论建模与试验测量结果,进而应用于多波长激光探测海洋大气波导机理与试验之中,分析了出现大气波导时,对光波段传输影响的主要因素,在此基础上分别对出现大气波导的两种情况,即随高度升高出现大气逆温和湿度锐减,对光波段的传输影响进行了分析。理论计算与试验仿真结果表明,出现大气波导现象与无波导现象出现时,光波段的传输效果也有明显差别,处于海洋大气环境下波导产生的关键因素是湿度变化产生的,在湿度层的分界面上光波段的消光系数出现拐点,实验分析初步表明用激光探测大气波导尤其是海上蒸发波导的可行性。