李 恪,姚崇斌,謝寶蓉，周 勃

(上海航天電子技術(shù)研究所,上海 201109)

粗糙海面激光透射特性研究

李 恪,姚崇斌,謝寶蓉，周 勃

(上海航天電子技術(shù)研究所,上海 201109)

為改善激光在粗糙海面上透射特性仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性以提高衛(wèi)星海洋水色遙感應(yīng)的效率，對(duì)不同海況下激光在粗糙海面的透射特性進(jìn)行了研究。根據(jù)激光海面透射原理，用基爾霍夫近似(KA)原理求解激光海面透射場(chǎng)，給出了計(jì)算模型?；贕aussian隨機(jī)模型對(duì)三、四級(jí)海況的粗糙海面進(jìn)行了三維模擬仿真，用解析法計(jì)算了激光在海面上的透射特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：波長(zhǎng)0.532 μm的綠激光對(duì)海水有高透射率，入射角小于40°時(shí)透射率大于94%；海況對(duì)激光的透射率影響較?。慌c下行透過(guò)率相比，上行透射率受入射角的影響較大，入射角大于40°時(shí)激光的上行透射率迅速衰減，入射角大于50°時(shí)上行透射率幾乎為0。

海洋水色遙感應(yīng)； 粗糙海面； 激光； 海色； 透射特性； 基爾霍夫近似； 雙站透射系數(shù)； 入射角

0 引言

海水顏色可作為各種能吸收和散射太陽(yáng)光的海水組分(如浮游植物、有色可溶有機(jī)物、礦物粒子、海中氣泡)含量的一個(gè)指示[1]。目前，衛(wèi)星海色遙感中未考慮海中氣泡這一重要的光學(xué)散射組分。氣泡在上層海洋中無(wú)處不在，由于風(fēng)浪破碎而形成的微氣泡大量存在于水下0～10 m深度處，且海中氣泡對(duì)藍(lán)綠激光具強(qiáng)后向散射特性，因此針對(duì)不同海況，得出準(zhǔn)確的激光海面透射系數(shù)，對(duì)提高衛(wèi)星海色遙感的準(zhǔn)確率有重要的意義[2-3]。之前的相關(guān)研究中，為便于計(jì)算，常將三維粗糙海面簡(jiǎn)化為二維粗糙海面，并用典型的隨機(jī)函數(shù)模型近似海面的波動(dòng)。因其建立的二維粗糙界面與現(xiàn)實(shí)中的粗糙界面差別較大，故仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性較差[4-5]。針對(duì)這種不足，本文采用了三維Gaussian隨機(jī)模型，結(jié)合典型海況的特征參數(shù)，對(duì)不同海況的波動(dòng)海面建立了三維仿真模型，并基于KA原理本文對(duì)不同海況下粗糙海面激光透射特性進(jìn)行了研究，以提高激光在粗糙海面上透射特性仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 激光海面透射原理

圖1 粗糙海面上激光的幾何關(guān)系Fig.1 Geometry of laser diffusion from rough sea surface

假設(shè)入射激光的入射場(chǎng)Ei可表示為

(1)

(2)

(3)

式中：ω為激光的角頻率；r，r′分別為接收點(diǎn)和海面光斑某點(diǎn)處的位置矢量；E(r′)，H(r′)分別為粗糙海面上r′∈S處的入射電場(chǎng)和磁場(chǎng)；G0(r,r′)，G1(r,r′)分別為空氣和海水介質(zhì)中的并矢格林函數(shù)，且

(4)

(5)

此處：k0，k1分別為激光在空氣和海水中的波數(shù)；I0，I1分別為粗糙海面投影在x-y平面上各點(diǎn)的散射矢量和透射矢量的積分[6]。

2 基爾霍夫近似

粗糙海面的激光透射場(chǎng)Et(r)為隨機(jī)場(chǎng)，可將其分解成平均場(chǎng)Etm(r)和起伏部分εt(r)，即

Et(r)=Etm(r)+εt(r).

(6)

根據(jù)KA原理，可將透射場(chǎng)表示為

(7)

3 數(shù)值計(jì)算與分析

因粗糙海面具隨機(jī)分布特性，根據(jù)Gaussian隨機(jī)模型對(duì)不同海況的隨機(jī)海面進(jìn)行模擬。Gaussian隨機(jī)模型可表示為

(8)

式中：C″(0)為海面光斑兩點(diǎn)間距離ρ=0時(shí)相關(guān)函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)；h為粗糙海面的均方高度[10]。

基于Gaussian隨機(jī)模型，分別對(duì)三級(jí)和四級(jí)海況進(jìn)行了模擬，結(jié)果如圖2所示。圖2中：ξ為海浪高度。

圖2 不同海況的粗糙海面模型Fig.2 Rough surface model in different sea condition

海面下方的局部法向矢量

(9)

將粗糙海面模型中的參數(shù)代入進(jìn)行仿真計(jì)算，得激光束在不同入射角度的海面透射率計(jì)算模型為

(10)

式中：θi為入射角；η0，η1分別為空氣和海水介質(zhì)中的阻抗；a，b分別為透射光和入射光的偏振狀態(tài)；Wab為激光束在不同介質(zhì)中傳輸時(shí)的偏振系數(shù)[11]。不同海況時(shí)的激光海面透射率計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同海況時(shí)的激光海面透射率Fig.3 Laser transmission ratio into rough sea surface indifferent sea conditions

對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)：

a)波長(zhǎng)為0.532 μm的綠激光對(duì)海水有高的透射率。當(dāng)θi小于40°時(shí)，透射率可達(dá)94%以上。

b)海況對(duì)激光的透射率影響較小。這主要是因?yàn)橄鄬?duì)海面波動(dòng)來(lái)說(shuō)，激光波長(zhǎng)極短，激光光斑在任何海況下的任意時(shí)刻都可視作一個(gè)平面。

c)與下行透射率相比，上行透射率受θi的影響很大。這主要是因?yàn)榧す馐南滦型ǖ朗菑墓馐杞橘|(zhì)透射至光密介質(zhì)，不會(huì)發(fā)生全反射，而上行通道是從光密介質(zhì)透射至光疏介質(zhì)，當(dāng)θi大于臨界角時(shí)會(huì)發(fā)生光的全反射。因此，當(dāng)θi>40°時(shí)，激光的上行透射率開(kāi)始迅速衰減；當(dāng)θi>50°時(shí)，上行透射率幾乎為0。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文用Gaussian隨機(jī)模型模擬不同海況的三維粗糙海面，根據(jù)KA原理對(duì)激光在不同海況下的海面透射率進(jìn)行了仿真計(jì)算。研究發(fā)現(xiàn)：用Gaussian隨機(jī)模型模擬不同海況的三維粗糙海面，可使仿真結(jié)果更符合實(shí)際情況，提高了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。采用KA原理與三維Gaussian粗糙海面模型結(jié)合的仿真計(jì)算方法，可在提高準(zhǔn)確率的同時(shí)，極大地提高計(jì)算效率。激光能量在海面的透射率幾乎不受海況影響，但受入射角的影響很大，當(dāng)入射角大于某臨界角(40°)時(shí)，激光的透射率將迅速減小。對(duì)激光海面透射率的研究對(duì)提高衛(wèi)星海洋水色遙感效率，有一定的參考價(jià)值。后續(xù)研究中，將結(jié)合海洋實(shí)際情況，設(shè)定邊界條件，用合理的近似方法簡(jiǎn)化數(shù)值計(jì)算的步驟，以進(jìn)一步提高仿真計(jì)算的效率和準(zhǔn)確性，為實(shí)際工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

[1] BELLRENFELD M J, RANDERSON J T, MECLAIN C R, et al. Biospherie primary production during an ENSO transition[J]. Seience, 2001, 291: 2594-2597.

[2] MONAHAN E C, LU M. Acoustically relevant bubble assemblages and their dependence on meteorological parameters[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1990, 15: 340-349.

[3] ZEDEL L, FARMER D M. Organized structures in subsurface bubble clouds: Langmuir circulation in the open ocean[J]. GeoPhys Res, 1991, 100: 13309-13320.

[4] 任新成， 郭立新. 基于改進(jìn)二維分形海面模型的分層海面電磁散射分析[J]. 上海航天, 2009, 26(4): 1-6.

[5] 閆沛文, 童創(chuàng)明, 鄧發(fā)升. 不同風(fēng)速下海洋粗糙面散射系數(shù)的計(jì)算[J]. 上海航天, 2006, 23(4): 23-26.

[6] 劉春香, 程傳福, 任曉榮, 等. 隨機(jī)表面散射光場(chǎng)的格林函數(shù)法與基爾霍夫近似的比較[J]. 物理學(xué)報(bào), 2004, 53(2): 427-435.

[7] 李恪, 王江安, 潘琛. 激光海面漫反射解析特性研究[J]. 激光與紅外, 2011. 41(5): 525-529.

[8] 田煒, 任新成. 基于基爾霍夫駐留相位近似法的深粗糙度高斯型粗糙面光散射[J]. 上海航天, 2011, 28(2): 1-6.

[9] 田煒, 姜志立. 高斯型粗糙面光透射的微擾法研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2012, 12(23): 5754-5757.

[10] 任新成, 郭立新. 基爾霍夫近似下高斯粗糙面透射波散射系數(shù)的特征研究[J]. 上海航天, 2008, 25(2): 1-5.

[11] TSANG L, KONG J A. Scattering of electromagnetic waves-numerical simulation[M]. New York: John Wiley, 2001.

Study on Laser Transmission Characteristics into Rough Sea Surfaces

LI Ke, YAO Chong-bin, XIE Bao-rong, ZHOU Bo

(Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai 201109, China)

To improve the simulation accuracy of the laser transmission characteristic into rough sea surface for increasing the efficiency of remote sensing of ocean color, the laser transmission characteristics into rough sea surfaces in different sea conditions were studied in this paper. According to the principle of laser transmission into the sea surfaces, the laser transmission characteristics into rough sea surfaces in different sea conditions were computed by Kirchhoff approximation. The computation mode was derived. The rough sea surfaces in 3 and 4 level sea conditions were modulated based on the Gaussian random function. The laser transmission characteristics in the two sea conditions were calculated by the analytical method. It was found that the green laser with the wavelength 0.532 μm had high transmission into the seawater which was bigger than 94% when the incident angle was smaller than 40°. The influence of the sea condition on the transmission was small. The influence of the incident angle on the up reflectance was bigger than down reflectance. The up transmission would be attenuated quickly when the incident angle was bigger than 40° and near to zero when the incident angle was bigger than 50°.

Watercolor remote sensing laser; Rough sea surfaces; Laser; Ocean color; Transmission characteristics; Kirchhoff approximation; Bistatic transmission coefficient; Incident angle

1006-1630(2016)06-0078-04

2016-02-18；

2016-09-17

國(guó)家自然科學(xué)青年科學(xué)基金資助(61605110)

李 恪(1980—)，男，博士，主要研究方向?yàn)楣怆娺b感技術(shù)。

TN249

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2016.06.011