CN110095784B - 一种复杂环境影响下的海洋-低层大气激光传输建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂环境影响下的海洋‑低层大气激光传输建模方法，包括如下步骤：将激光探测海下目标的传输过程分为低层大气传输子过程、海面透射子过程、海体传输子过程；确定各子过程中的环境因子及其特征参数；建立复杂环境下激光低层大气衰减系数模型、复杂环境下海‑气界面激光透射比数学模型、复杂海体环境下激光海水衰减系数数学模型；综合建立复杂环境影响下的海洋‑低层大气激光传输模型。本发明对复杂大气海洋环境中各种因素耦合对激光光路和能量衰减的作用机理进行深入综合，建立了完整的复杂环境下蓝绿激光探测的全过程传输模型，为新型空中平台对水下目标激光探测设备的研发提供理论支撑。

Description

一种复杂环境影响下的海洋-低层大气激光传输建模方法

技术领域

本发明涉及环境建模与仿真领域以及激光探测领域，更具体地，涉及一种复杂环境影响下的海洋-低层大气激光传输建模方法。

背景技术

近年来，各种非声探测技术迅猛发展，磁、红外、激光、可见光、雷达等多物理场非声探测方法在探水下目标手段中所占的比重越来越大。其中，激光、可见光等光学探测技术由于具有可成像、可定向、低延时、主被动结合等优势，成为当前非声探测技术的重要发展方向。

蓝绿激光探测水下目标是当前激光探测技术的研究热点之一。蓝绿激光的工作波段为450nm～550nm，其在海水中的衰减相较于其他光波段的衰减要小得多，具有十分良好的穿透性，蓝绿激光波段成为水下激光信号的传输“窗口”。蓝绿激光探测作为一种主动探测手段，一般以飞机作为空中平台搭载蓝绿激光发射和接收设备，通过向被测目标发射高功率、窄脉冲的激光，采集和存储发射激光脉冲和反射激光脉冲波形，并通过一定的信号处理方法，得到被测目标的位置坐标、几何结构和物理属性等信息，实现对远距离水下目标的遥感。

蓝绿激光探测技术广泛应用于地质勘探、大气检测、气象预报、位移测量、海水水文勘测、水下鱼群探测，海洋环境监测和地理科学等诸多领域。因此，发展和应用蓝绿激光探测技术以对我国辽阔海洋进行深入研究和开发，在国民经济和国防建设中均具有巨大的价值和应用前景。

我国在蓝绿激光探测技术研究起步较晚，相关理论不成熟，对复杂环境下激光探测全过程的传输建模研究不够深入，且都是对海上大气、海洋中海水体和水下目标分别进行研究，缺乏系统性分析，暂时没能形成一套完整的复杂环境激光传输理论和模型。

蓝绿激光从发射到接收回波的传输过程中，必然要经过包括低层大气-海面-海体在内的跨介质的复杂环境，复杂海洋-低层大气环境的不确定性给激光传输带来的影响主要包括：

1.激光在低层大气中传输过程中受到大气分子和雨、雾、霾等不同气象条件下气溶胶粒子的吸收和散射，作用机理较难建模；

2.激光的入射、出射在海洋-大气界面受海面海风、海浪的动态特性影响，造成传输光路路径的不确定性和相应的能量损失，机理分析复杂；

3.海水中各类不同的悬浮物对激光雷达探测回波信号的方向和强度均有很大影响，影响过程复杂。

因此研究蓝绿激光在的低层大气-海面-海洋共同组成的复杂环境中的传输特性，建立受环境参数影响的激光传输模型是突破蓝绿激光探测技术瓶颈的理论基础，可为复杂环境下蓝绿激光雷达探测设备的研制和应用提供有效技术支撑。

发明内容

本发明针对蓝绿激光水下目标探测的技术瓶颈，分析了蓝绿激光在海洋-低层大气跨介质复杂环境中的传输特性，对复杂大气海洋环境中各种因素耦合对激光光路和能量衰减的作用机理进行深入综合，结合经典的经验解析方法和仿真统计方法，建立了完整的复杂环境下蓝绿激光探测的全过程传输模型，为新型空中平台对水下目标激光探测设备的研发提供理论支撑。

根据本发明的一方面，提供了一种复杂环境影响下的海洋-低层大气激光传输建模方法，包括如下步骤：

S1.根据激光在低层大气、海-气界面、海体三部分环境中的传输机理，将激光探测海下目标的传输过程分为低层大气传输子过程、海面透射子过程、海体传输子过程；

S2.确定各子过程中的环境因子及其特征参数；

S3.针对低层大气传输子过程，基于大气光散射原理，建立复杂环境下激光低层大气衰减系数模型；

S4.针对海面透射子过程，基于几何光学理论，建立激光入射角与海面倾角模型，进一步结合菲涅尔公式建立海面入射点激光透射比模型，然后结合海风海浪谱三维模型，以激光照射在海面上的光斑为研究对象，采用空间剖分技术，对光斑水平分布范围内的光路透射特性进行统计计算，进而建立复杂环境下海-气界面激光透射比数学模型；

S5.针对海体传输子过程，基于分子散射和吸收模型，建立复杂海体环境下激光海水衰减系数数学模型；

S6.根据步骤S3中建立的复杂环境下激光低层大气衰减系数数学模型、步骤S4中建立的复杂环境下海-气界面激光透射比数学模型以及步骤S5中建立的复杂海体环境下激光海水衰减系数数学模型，基于比尔定律，建立复杂环境影响下的海洋-低层大气激光传输模型。

特别地，所述激光为蓝绿激光。

进一步，步骤S2中，

可以通过分析低层大气成分对激光衰减的作用机理，确定低层大气传输子过程中的环境因子为大气分子和气溶胶粒子，特征参数为气温、气压、降水率和能见度；

可以通过分析激光跨介质传输过程的特性，确定海面透射子过程中的环境因子为海浪，特征参数为海面风速；

可以通过分析海体成分对激光衰减的作用机理，确定海体传输子过程中的环境因子为水分子、盐分子、有机物和悬浮颗粒，特征参数为水温、盐度、有机物浓度和悬浮物浓度。

进一步，步骤S4中基于几何光学理论，建立激光入射角与海面倾角模型具体可以包括如下步骤：

将激光从大气中射入海体的透射路径作为下行信道，将激光经过反射后从海体中射入大气的透射路径作为上行信道，

1)基于几何光学理论，建立下行信道的激光入射角与海面倾角的数学模型：

将海面法线L₁与海浪法线L₂之间的夹角α定义为海面倾角，当海面倾角α取值为

时，

下行信道上激光光线相对于当前海浪表面的入射角θ₁为：

θ₁＝|δ-α|

下行信道上出射激光光线的折射角θ₂为：

海水中下行信道上激光出射方向角θ₃为：

其中，n为海水相对于空气的折射率，由菲涅尔折射定律可知

δ为下行信道上激光的扫描角；

2)基于几何光学理论，建立上行信道的激光入射角与海面倾角的数学模型：

当海面倾角α取值为

时，

上行信道上激光入射角θ′₁为

θ′₁＝|δ′-α|，

上行信道上出射激光光线的折射角θ₂′为

θ′₂＝arcsin[n·sin|δ′-α|]

上行信道上大气中出射激光光线的方向角θ₃′为

θ′₃＝|α+arcsin[n·sin(δ′-α)]|

其中，δ′为上行信道上激光入射方向角；

假定下行信道和上行信道的光路互逆，上下行信道上的光路角度关系为：δ′＝θ₃，θ′₁＝θ₂，θ′₂＝θ₁，θ′₃＝δ；

进一步，步骤S4中进一步结合菲涅尔公式建立海面入射点激光透射比模型具体可以包括如下步骤：

1)将激光作为入射平面波分解成两个相互垂直的分量s波和p波，其中，s波为垂直于入射面的光分量，p波为平行于入射面的光分量，

基于菲涅尔公式，建立激光入射角与光振幅透射系数模型：

其中，t_s-d为s波的理论振幅透射系数；t_p-d为p波的理论振幅透射系数；μ₁，μ₂分别为大气和海水两介质的磁导率；n₁，n₂分别为大气和海水两介质的折射率；

2)基于步骤1)中建立的激光入射角与光振幅透射系数模型，根据上下行信道的激光入射角与海面倾角的数学模型，得到下行信道上s波的振幅透射系数t_s和p波的振幅透射系数t_p：

以及上行信道上s波的振幅透射系数t′_s和p波的振幅透射系数t′_p：

3)基于步骤2)中得到的上下行信道的激光入射角与光振幅透射系数模型，建立上下行信道的激光透射比模型：

s波和p波的透射比ρ_s，ρ_p与其理论振幅透射系数的关系为：

在入射光波的偏振特性对激光透射比的影响下，当下行信道的激光偏振方向相对于法平面的方位角为β时，基于步骤2)中的得到的上下行信道上s波和p波的振幅透射系数，得到下行信道的激光透射比ρ和上行信道的激光透射比ρ′为：

其中，β′表示折射光线的偏振方向相对于法平面的方位角，其计算公式为：

将上下行信道的激光透射比相乘，得到激光光束在海-气界面入射点的总透射比ρ_wg为：ρ_wg＝ρ·ρ′，由此建立海面入射点激光透射比模型。

进一步，步骤S4中可以结合海风海浪谱三维模型，以激光照射在海面上的光斑为研究对象，采用空间剖分技术，对光斑水平分布范围内的光路透射特性进行统计计算，进而建立复杂环境下海-气界面激光透射比数学模型，具体包括如下步骤：

采用基于海浪谱的Gestner海浪谱模型对海面进行模拟仿真，得到不同海面风速S下的海浪谱模型，基于所述海浪谱模型和所述海面入射点激光透射比模型，利用加权统计平均方法得到二维海面上激光束入射光斑内平均透射比为：

其中，Ψ(x，y，t)为光斑内透射比分布，其是与位置和时间相关的分布函数；ω(x，y，t)为加权平均的权重因子，因海浪程度与运动状态的不同，权重因子随位置和时间发生改变；R为海面光斑半径，其以激光能量衰减到中心能量1/e作为光斑边界条件，求解目标海面上激光轮廓信息得到，

当海面仿真区域面积扩大时，所述二维海面上激光束入射光斑内平均透射比趋于一特征值

用此特征值

作为复杂环境下海-气界面激光透射比，由此建立复杂环境下海-气界面激光透射比数学模型。

进一步，可以采用基于海浪谱的Gestner海浪谱模型，以有限元法对海面进行模拟仿真。

进一步，步骤S3具体可以包括如下步骤：

1)基于比尔定律，得到激光在低层大气中的能量辐射传输公式如下：

I(R)＝I₀exp[-∫₀ ^Rμ_G(r，λ)dr]

其中，I(R)是波长为λ的激光在大气中传输距离R后的功率；I₀是激光的传输前功率；μ_G(r，λ)是距离r处的大气衰减系数，

2)根据低层大气中环境因子对激光衰减的叠加，得到低层大气的衰减系数μ_G(λ)的表达式：

μ_G(λ)＝A_m(λ)+A_a(λ)+S_m(λ)+S_a(λ)

其中，A(λ)是吸收系数；S(λ)是散射系数；下标m表示大气分子；下标a表示气溶胶，

其中，忽略激光大气分子吸收系数A_m(λ)和激光大气气溶胶吸收系数A_a(λ)，仅针对激光大气分子散射系数S_m(λ)和激光大气气溶胶散射系数S_a(λ)分析建模，

针对激光大气分子散射系数S_m(λ)分析建模，具体过程如下：

基于瑞利散射原理，首先计算大气中每个分子的瑞利散射总截面σ(λ)，其值由下式计算得到：

其中，n_S是波长为λ时的标准空气折射率；N_S是标准空气下的分子数密度；ρ_n是去极化因子；

标准空气状态下的气体瑞利散射系数β_s(λ)为：

β_s(λ)＝N_sσ(λ)·10⁵

根据当前环境实际气压和气温对所述标准空气状态下的气体瑞利散射系数β_s(λ)进行修正，得到大气分子散射系数S_m(λ)：

其中，N(P，T)为分子数密度，其由当前气压P和气温T决定；P_s表示标准大气压；T_s表示标准气温；

针对激光大气气溶胶散射系数S_a(λ)分析建模，具体过程如下：

根据散射粒子的尺度与波长的关系，气溶胶散射衰减满足米氏散射规律，采用雨、雾、霾三种气溶胶粒子的光散射衰减经验模型，根据实际天气状况进行选择性叠加，得到气溶胶粒子的总散射衰减系数，

雨粒子散射衰减采用以下经验模型：

其中，A_W为雨粒子散射衰减系数；W表示降水率，

雾粒子散射衰减采用以下经验模型：

其中，A_F表示雾粒子散射衰减系数；V表示大气能见度，

霾粒子散射衰减采用以下经验模型：

其中，A_M表示霾粒子散射衰减系数；a为波长修正因子，其与大气能见度的关系为：

进一步，步骤S5具体可以包括如下步骤：

1)基于比尔定律，得到激光在海体中的能量辐射传输公式如下：

I(D)＝I₁exp[-∫₀ ^Dμ_W(r，λ)dr]

其中，I(D)是波长为λ的激光在海体中传输距离D后的功率；I₁是激光的传输前功率；μ_W(r，λ)是距离r处的海水衰减系数；

2)根据海体中环境因子对激光衰减的作用机理，将海水的衰减系数μ_W(λ)分解为海水吸收系数k(λ)与海水散射系数α(λ)之和：

μ_W(λ)＝k(λ)+α(λ)

3)针对海水吸收系数k(λ)分析建模，具体过程如下：

海水对光子吸收作用的主要因素为纯海水、黄色物质、叶绿素和悬浮粒子，基于此将海水的吸收系数表示为四种物质吸收衰减作用的叠加：

k(λ)＝k_纯海水(λ)+k_叶绿素(λ)+k_黄(λ)+k_悬浮物(λ)

其中，k_纯海水(λ)为纯海水的吸收系数；k_黄(λ)为海水中黄色物质的吸收系数；k_叶绿素(λ)为海水中叶绿素的吸收系数；k_悬浮物(λ)为海水中悬浮物的吸收系数；

4)利用光谱法对纯海水的吸收衰减系数随入射光波长的变化曲线进行测量，根据测量结果利用线性插值方法估算纯海水的吸收系数k_纯海水(λ)；

5)采用Morel叶绿素吸收系数经验公式对叶绿素的吸收系数k_叶绿素(λ)分析建模：

k_叶绿素＝k′(λ，C)·C_叶绿素(D)

其中，C_叶绿素(D)表示叶绿素浓度；k′(λ，C)为单位浓度叶绿素吸收率；

6)采用Morel黄色物质吸收系数的指数表达式对黄色物质的吸收系数k_黄(λ)分析建模：

其中，λ₀为参考入射光波长；k_黄(λ₀)为参考入射光波长处黄色物质的光吸收系数；S为光谱曲线的指数斜率，

海水中黄色物质的吸收衰减系数是黄腐酸和腐殖酸两种物质成分吸收系数的总和，其进一步表示为：

其中，k_f(λ₀)和k_h(λ₀)分别为参考入射光波长λ₀处的黄腐酸和腐殖酸单位浓度吸收系数；S_f和S_h分别是黄腐酸和腐殖酸的吸收曲线光谱斜率；C_f，C_h分别表示黄腐酸和腐殖酸的浓度分布，与叶绿素浓度分布有关：

7)采用悬浮沙粒的吸收经验公式对悬浮物的吸收系数k_悬浮物(λ)分析建模：

其中，k_悬浮物(λ₀)表示参考入射光波长λ₀处的悬浮物单位质量浓度吸收衰减系数；S_d表示悬浮物吸收系数光谱斜率；C_悬浮物(D)表示悬浮物浓度；

8)针对海水散射系数α(λ)分析建模，具体过程如下：

海水对激光的吸收衰减作用可以表示为4部分散射衰减系数的叠加，即：

α(λ)＝α_叶绿素(λ)+α_水(λ)+α_盐(λ)+α_悬浮物(λ)

其中，α_水(λ)和α_盐(λ)分别表示纯水分子和盐离子对激光的瑞利散射衰减系数；α_叶绿素(λ)表示叶绿素对激光的散射衰减系数；α_悬浮物(λ)表示海水中悬浮物对激光的散射衰减系数；

9)针对海水的纯水分子和盐离子对激光的散射衰减系数分析建模，具体过程如下：

将水和盐离子的散射衰减系数作为水合离子的形态一起分析，表示为如下两种因素散射衰减系数的总和：密度本征起伏和各向异性水分子运动方向起伏而引起的散射衰减系数α_d，以及海水中无机盐离子水合物的光散射系数α_i之和：

α_水+盐＝α_d+α_i

其中，k为玻尔兹曼常数；T_w为海水温度；ρ_w为海水密度；n为海水相对于空气的折射率；ω为海水的退偏振度；β_T为等温压缩系数；

表示为海水折射率n的函数，计算式为：

β_T表示海水无机盐体积摩尔浓度M的函数：

β_T＝(d₀+d₁·M+d₂·M^1.5)×10^-8

其中，d₀、d₁、d₂为特征系数，

根据瑞利散射理论，海水中无机盐离子水合物的光散射系数α_i表示为：

其中，N_w为离子数密度；r_i为无机盐离子水合物半径；ε、ε_w分别为无机盐离子水合物的介电常数和纯水的介电常数；η为去极化因子；

10)采用Morel散射衰减经验公式对海水的叶绿素散射系数α_叶绿素(λ)分析建模：

11)采用Morel经验模型对悬浮物的散射衰减系数α_悬浮物(λ)分析建模：

进一步，步骤S6具体过程可以如下：

根据步骤S3中建立的建立复杂环境下激光低层大气衰减系数数学模型、步骤S4中建立的复杂环境下海-气界面激光透射比数学模型以及步骤S5中建立的复杂海体环境下激光海水衰减系数数学模型，建立复杂环境影响下的海洋-低层大气激光传输模型：

式中，P₀为激光发射功率；P_DR为经过复杂海洋-低层大气环境衰减后的激光功率。

本发明的有益效果：

1)本发明建立了一种复杂环境影响下的激光传输特性模型，全面分析了海洋-低层大气环境中环境因子对激光衰减的作用机理，可以反映海洋-低层大气环境下激光探测水下目标的传输全过程。

2)本发明建立的复杂环境影响下的激光传输特性模型，形成了从宏观的环境因素特征参数到激光在复杂环境传输过程中能量衰减的定量映射，可以支持从复杂环境变量出发对激光探测传输全过程的综合定量分析。

3)本发明使用了经验模型和统计分析结合的技术方法建立环境因子对激光衰减作用机理模型，对于精度要求不高且具备成熟理论支持的大气因子及海体环境因子机理模型，本发明使用经验模型结合具体气象水文数据进行验证的技术路线进行建模；对于复杂海况下随机性极强的海-气界面，经验模型不再适用，本发明使用光斑内的采用空间剖分技术，对光斑水平分布范围内的光路透射特性进行仿真统计计算，得到海面风速这一环境因子对于激光海面透射比的作用机理模型。

附图说明

图1是本发明的复杂环境影响下的海洋-低层大气激光传输建模流程图。

图2是本发明的激光探测过程示意图。

图3是本发明的复杂环境下激光低层大气衰减系数建模方案图。

图4是本发明的复杂环境下海-气界面激光透射比建模方案图。

图5是本发明的激光海面下行信道中激光光线与海浪法线关系示意图。

图6是本发明的激光海面上行信道中激光光线与海浪法线关系示意图

图7是菲涅尔能量传输示意图。

图8是本发明的海面风速为5m/s时的Gestner海浪谱模型示意图。

图9是本发明的海面光斑透射比分布图。

图10是本发明的100m×100m海面的激光透射比分布图。

图11是本发明的不同面积的海域平均光透射比进行仿真计算结果。

图12是本发明的复杂海体环境下激光海水衰减系数建模方案图。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明的复杂环境影响下的海洋-低层大气激光传输建模方法做详细说明。

本发明通过深入分析海洋-低层大气跨介质复杂环境中激光传输的子过程，将各子过程中具体环境因子对激光传输的输衰减作用进行综合，得到全面的复杂大气海洋环境下的激光传输特性，整个建模流程如图1所示。为方便叙述，下文中的“激光”均指532nm波长的蓝绿激光。

本发明的复杂环境影响下的海洋-低层大气激光传输建模方法包括如下步骤：

S1.将海洋-低层大气复杂环境从大气海洋界面进行分离，分别解析激光在低层大气、海-气界面、海体三部分环境中的传输机理，从而将激光传输全过程分为低层大气传输子过程、海面透射子过程、海体传输子过程三个子过程。然后对影响激光传输特性的环境因素展开分析，明确各个传输子过程中的环境因子研究对象及其特征参数。图2示出了激光探测水下目标的整个传输过程，由图可知，激光探测从发射到接收反射回波的全部传输过程中，两次经过低层大气环境，两次经过海水环境，两次穿越海-气界面。本步骤具体通过如下步骤实现：

步骤101：分析激光探测水下目标的过程。搭载在飞机等载荷平台上的蓝绿激光雷达发射532nm激光，经过一定厚度的低层大气，穿透海-气两介质交界面，穿过一定深度的海体后，照射到水下目标，水下目标表面的反射激光信号经过原路经返回被激光雷达接收，经过信号处理后解算得到水下目标的位置。

步骤102：将激光传输过程分为低层大气传输子过程、海面透射子过程、海体传输子过程并分别对三个子过程中影响激光传输特性的环境因素展开分析，由此确定各子过程中的环境因子研究对象以及描述环境因子的特征参数。

具体地，通过分析大气成分对激光衰减的作用机理确定低层大气激光传输过程中的环境因子为大气分子和气溶胶粒子(例如雨、雾、霾)，特征参数为气温、气压、降水率、能见度。

通过分析激光跨介质传输过程的特性确定海面透射过程中的环境因子研究对象为海浪，特征参数为海面风速。

通过分析海体成分对激光衰减的作用机理确定海体激光传输过程中的环境因子研究对象为水分子、盐分子、有机物和悬浮颗粒，特征参数为水温、盐度、有机物浓度、悬浮物浓度。

S2.针对低层大气中的激光传输子过程，分析激光在低层大气中受环境影响的衰减效应，基于大气光散射原理，建立大气气体分子、气溶胶粒子(例如雨粒子、雾粒子、霾粒子)与激光作用模型，进而得到复杂环境下激光低层大气衰减系数的数学模型，如图3所示。本步骤具体通过如下步骤实现：

步骤201：基于比尔定律，得到激光在低层大气中的能量辐射传输公式如下：

I(R)＝I₀exp[-∫₀ ^Rμ_G(r，λ)dr]

式中：I(R)是波长为λ的激光在大气中传输距离R(km)后的功率(kW)；I₀是激光的传输前功率(kW)；R为激光在大气中传输总距离(km)；μ_G(r，λ)是距离r(km)处的大气衰减系数(km^-1)。

步骤202：根据低层大气中环境因子对激光衰减的叠加，得到低层大气的衰减系数μ_G(λ)的表达式：

μ_G(λ)＝A_m(λ)+A_a(λ)+S_m(λ)+S_a(λ)

其中，A(λ)是吸收系数；S(λ)是散射系数；下标m表示大气分子；下标a表示气溶胶粒子；大气衰减系数的单位为km^-1。

步骤203：针对激光大气分子吸收系数A_m(λ)分析建模。大气分子对激光辐射能量的吸收与激光的波长密切相关，根据光传输理论，在可见光波段和1.06μm波长，大气分子的吸收可以忽略。由于本发明研究的532nm蓝绿激光属于可见光波段，故在本发明中对激光大气分子吸收系数A_m(λ)一项予以忽略。

步骤204：针对激光大气分子散射系数S_m(λ)分析建模。大气分子引起的光散射遵循瑞利散射原理，首先计算大气中每个分子的瑞利散射总截面，散射截面的单位为cm²，其值由下式计算得到：

上式中，λ是激光波长(cm)；n_S是波长为λ时的标准空气折射率；N_S是标准空气下的分子数密度(cm^-3)；ρ_n是去极化因子，其中，标准空气折射率n_S和极化因子ρ_n的值可以通过已有的理论公式计算得出。

气体的体散射系数β(λ)表示为单个分子瑞利散射总截面σ(λ)和分子数密度N的乘积，其中，分子数密度N是由当前气压P和气温T决定。具体公式如下：

β(λ)＝N(P，T)σ(λ)·10⁵

式中，β(λ)单位是km^-1，N的单位是cm^-3。

为简化计算，这里先计算标准空气状态下的气体瑞利散射系数β_s(λ)：

β_s(λ)＝N_sσ(λ)·10⁵

再根据当前环境实际气压和气温对标准空气状态下的气体散射系数β_s(λ)进行修正，得到大气分子散射系数S_m(λ)：

式中，P_s表示标准大气压；T_s表示标准气温，均属于常值。

步骤205：针对激光大气气溶胶吸收系数A_a(λ)分析建模。根据低层大气中气溶胶粒子的光衰减理论，气溶胶吸收衰减作用相对其散射衰减作用较小，一般气溶胶粒子的衰减以散射衰减作为代表，故在本发明中对激光大气气溶胶吸收系数A_a(λ)一项予以忽略。

步骤206：针对激光大气气溶胶散射系数S_a(λ)分析建模。根据散射粒子的尺度与波长的关系，气溶胶散射衰减满足米氏散射规律。采用雨、雾、霾三种气溶胶粒子的光散射衰减经验模型，根据实际天气状况进行选择性叠加，得到气溶胶粒子的总散射衰减系数。

雨粒子散射衰减采用以下经验模型：

式中，A_W表示雨粒子散射衰减系数(km^-1)；W表示降水率(mm/h)。

雾粒子散射衰减采用以下经验模型：

式中，A_F表示雾粒子散射衰减系数(km^-1)；V表示大气能见度(km)。

霾粒子散射衰减采用以下经验模型：

式中，A_M表示霾粒子散射衰减系数(km^-1)；a为波长修正因子，其与大气能见度的关系为：

S3.针对海面透射的激光传输子过程，分析激光在海-气界面透射过程中受环境影响的衰减效应。基于几何光学理论，建立激光入射角与海面倾角的数学模型，进一步结合菲涅尔公式建立海面入射点激光透射比的数学模型。然后结合海风海浪谱三维模型，以激光照射在海面上的光斑为研究对象，采用空间剖分技术，对光斑水平分布范围内的光路透射特性进行统计计算，进而建立复杂环境下海-气界面激光透射比的数学模型，如图4所示。本步骤具体通过如下步骤实现：

步骤301：基于几何光学理论，在激光下行信道上建立激光入射角与海面倾角的数学模型。将激光从大气中射入海体的透射路径作为下行信道，将激光经过反射后从海体中射入大气的透射路径作为上行信道。

图5为激光下行信道中激光光线与海浪法线的不同位置关系的示意图。图中，平均海平面L₄作为水平基准面，532nm激光与海面的交点定为激光入射点，取通过激光入射点的垂直法线L₁作为海面法线，L₂表示当前海面起伏状态下的海浪法线，L₃表示法平面内过激光入射点的海浪切线，将激光入射光线与海面法线所在的平面定为法平面。为了便于分析，现对分析中涉及到的角度进行规定，以海面法线L₁为基准，将海面法线L₁与直线之间的最小角定为直线的夹角，并取逆时针方向为正方向。其中，δ为下行信道上激光的扫描角，θ₁为下行信道上激光光线相对于当前海浪表面的入射角，θ₂为下行信道上出射激光光线的折射角，θ₃为海水中下行信道上激光出射方向角，将海面法线L₁与海浪法线L₂之间的夹角α定义为海面倾角。以下的推导均在法平面内进行。

当海面倾角α取值为

时，

下行信道上激光光线相对于当前海浪表面的入射角θ₁为：

θ₁＝|δ-α|

下行信道上出射激光光线的折射角θ₂为：

海水中下行信道上激光出射方向角θ₃为：

其中，n为海水相对于空气的折射率，由菲涅尔折射定律可知

步骤302：基于几何光学理论，在激光上行信道上建立激光入射角与海面倾角的数学模型。

532nm激光在下行信道和上行信道分别两次穿过海-气界面，通过对实际海域测量数据以及经验海浪谱模型运动周期的定量分析，计算激光两次穿越海-气界面的时间差，进而得到海浪的谱的相位差极其微小。因此，本发明认为激光在两次穿越界面时海浪近似静止，上下行信道互逆。图6为激光上行信道中激光光线与海浪法线的不同位置关系的示意图。其中，用δ′表示上行信道上激光入射方向角，θ′₁表示上行信道上激光入射角，θ₂′表示上行信道上出射激光光线的折射角，θ₃′表示上行信道上大气中出射激光光线的方向角。因海浪近似静止，本发明中上下行信道的光路角度关系为：δ′＝θ₃，θ′₁＝θ₂，θ′₂＝θ₁，θ′₃＝δ。

综合分析上行信道激光光线与海浪法线的不同位置关系得到，当海面倾角α取值为

时，

上行信道上激光入射角θ′₁为

θ′₁＝|δ′-α|，

上行信道上出射激光光线的折射角θ₂′为

θ′₂＝arcsin[n·sin|δ′-α|]

上行信道上大气中出射激光光线的方向角θ₃′为

θ′₃＝|α+arcsin[n·sin(δ′-α)]|

步骤303：基于菲涅尔公式，建立海面入射点激光透射比模型。

激光作为入射平面波可以分解成两个相互垂直的分量s波和p波，其中s波为垂直于入射面的光分量，p波为平行于入射面的光分量。基于菲涅尔公式，分别推出上下行信道中s波和p波的振幅透射系数。

图7示出了菲涅尔公式中能量的传输过程，其中L₃表示过激光入射点的海浪切线，L₂表示海浪法线，n₁，n₂为两种介质的折射率。则有：

式中，t_s-d为s波的理论振幅透射系数；t_p-d为p波的理论振幅透射系数；μ₁，μ₂为两种介质的磁导率，因大气，海水均为非磁性物质，这里认为μ₁＝μ₂。

步骤304：根据菲涅尔公式和下行信道的激光入射角与海面倾角的数学模型，得出激光下行信道上s波和p波的的振幅透射系数t_s，t_p：

步骤305：根据菲涅尔公式和上行信道的激光入射角与海面倾角的数学模型，得出激光上行信道上s波和p波的的振幅透射系数t′_s，t′_p：

步骤306：基于上述上下行信道的激光入射角与光振幅透射系数模型，建立上下行信道的激光透射比模型：

本发明采用透射比ρ来描述激光在两介质界面的能量传输特性，s波和p波的透射比ρ_s，ρ_p与其理论振幅透射系数的关系为：

考虑入射光波的偏振特性对激光透射比的影响，当下行信道激光偏振方向相对于法平面的方位角为β时，将上下行信道s波和p波的振幅透射系数代入上述透射比与投射系数关系中，得到下行信道的激光透射比ρ和上行信道的激光透射比ρ′分别为：

式中，β′表示折射光线的偏振方向相对于法平面的方位角，其计算公式为：

步骤307：将上下行信道的激光透射比相乘，得到激光光束在海-气界面入射点的总透射比ρ_wg为：ρ_wg＝ρ·ρ′，其大小反映了激光在海/气界面传输过程的总能量衰减。

步骤308：采用基于海浪谱的Gestner海浪谱模型对海面进行模拟仿真，得到不同海面风速S下的海浪谱模型，基于海浪谱模型和上述激光入射点透射比模型，利用加权统计平均方法得到二维海面上激光束入射光斑内平均透射比：

其中，Ψ(x，y，t)为光斑内透射比分布，其是与位置和时间相关的分布函数；ω(x，y，t)为加权平均的权重因子，因海浪程度与运动状态的不同，权重因子随位置和时间发生改变；R为海面光斑半径(m)，其以激光能量衰减到中心能量1/e作为光斑边界条件，求解目标海面上激光轮廓信息得到。

将海面仿真区域面积扩大，此平均透射比趋于一特征值

用此特征值作为当前海面风速下海-气界面的激光透射比。

在一仿真示例中：

仿真对象：某一时刻海面上选定位置的激光入射光斑；

仿真预设条件：参照RIEGL公司生产的VQ-880-GH海洋激光雷达工作参数，预设仿真初始条件，平台扫描高度为500m，激光扫描角20°，蓝绿激光束的全发散角为0.5mrad，入射光线的偏振方位角定为45°；

海面环境仿真：采用基于海浪谱的Gestner海浪谱模型，以有限元法对海面进行模拟仿真，节点步长为1cm，仿真建立风速为5m/s时海面模型，如图8所示。设置仿真时刻为1s，海面风速为5m/s，仿真计算海面激光光斑内蓝绿激光总透射比分布，仿真计算结果如图9所示。由图9可以看出，当海面风速为5m/s时，海面激光光斑内激光总透射比变化较小。

海洋蓝绿激光雷达在实际扫描工作过程中，可认为海面上每一点的被扫描概率相同，仿真计算100m×100m海面的激光透射比分布，仿真结果如图10所示。由仿真结果可以看出，随光斑位置在海平面上的改变，海平面的激光透射比发生变化，海面内激光透射比在一定范围内变化，基于统计方法描述海面激光透射比特性，采用加权平均方法计算海面平均透射比，因实际场景中海面任意位置被蓝绿激光照射的概率相同，所以各位置的透射比权重相同，本次仿真中都取为1。对不同面积的海域平均光透射比进行仿真计算，结果如图11所示。由结果可以看出，对于海面风速为5m/s的海面，随仿真计算的海面区域扩大，海面平均光透射比在一定范围内震荡变化，且震荡幅度逐渐变小，趋于一个特征值。当仿真计算尺度大于20m时，海面平均透射比的震荡偏差幅度小于0.001％，取其平均值95.923％作为风速5m/时海面的平均透射比。

S4.针对海体环境中的激光传输子过程，分析激光在海体中受环境影响的衰减效应。基于分子散射和吸收模型，建立水分子、盐分子、叶绿素和悬浮物等物质与激光作用模型，进而得到复杂海体环境下激光海水衰减系数的数学模型，如图12所示。本步骤具体通过如下步骤实现：

步骤401：基于比尔定律，得到激光在海体中的能量辐射传输公式如下：

式中：I(D)是波长为λ的激光在海体中传输距离D后的功率(kW)；I₁是激光的传输前功率(kW)；D为激光在海水中传输总距离(km)；μ_W(r，λ)是距离r(km)处的海水衰减系数(km^-1)。

步骤402：根据海体中环境因子对激光衰减的作用机理，将海水的衰减系数μ_W(λ)分解为海水吸收系数k(λ)与海水散射系数α(λ)之和：

μ_W(λ)＝k(λ)+α(λ)

步骤403：针对海水吸收系数k(λ)分析建模。海水对光子吸收作用的主要因素为纯海水、黄色物质、叶绿素和悬浮粒子。海水的吸收系数表示为四种物质吸收衰减作用的叠加：

k(λ)＝k_纯海水(λ)+k_叶绿素(λ)+k_黄(λ)+k_悬浮物(λ)

其中，k_纯海水(λ)为纯海水的吸收系数；k_黄(λ)为海水中黄色物质的吸收系数；k_叶绿素(λ)为海水中叶绿素的吸收系数；k_悬浮物(λ)为海水中悬浮物的吸收系数。四种吸收系数都与入射光波长有关。

步骤404：针对纯海水的吸收系数k_纯海水(λ)分析建模。Raymond C.Smith和Morel利用光谱法对纯海水的吸收衰减系数随入射光波长的变化曲线进行了测量，根据测量结果利用线性插值方法估算得出532nm波长处的纯海水吸收系数为0.0519m^-1。

步骤405：针对叶绿素的吸收系数k_叶绿素(λ)分析建模。采用Morel叶绿素吸收系数经验公式估计：

k_叶绿素＝k′(λ，C)·C_叶绿素(D)

公式中，C_叶绿素(D)表示叶绿素浓度(mg/m³)，在海水中其分布与深度D相关；k′(λ，C)为单位浓度叶绿素吸收率，与入射光波长和叶绿素浓度相关。

步骤406：针对黄色物质的吸收系数k_黄(λ)分析建模。采用Morel黄色物质吸收系数的指数表达式：

其中，λ₀为参考入射光波长(nm)；k_黄(λ₀)为参考入射光波长处黄色物质的光吸收系数(km^-1)；S为光谱曲线的指数斜率。

海水中黄色物质的吸收衰减系数是黄腐酸和腐殖酸两种物质成分吸收系数的总和，进一步表示为：

其中，k_f(λ₀)和k_h(λ₀)分别为参考入射光波长λ₀处的黄腐酸和腐殖酸单位浓度吸收系数(m²/mg)。取参考波长λ₀为450nm处，根据已有实验测量结果：k_f(λ₀)＝0.0073m²/mg，k_h(λ₀)＝0.1304m²/mg；S_f和S_h分别是黄腐酸和腐殖酸的吸收曲线光谱斜率，根据已有实验测量结果：S_f＝0.0189nm^-1和S_h＝0.01105nm^-1；C_f，C_h分别表示黄腐酸和腐殖酸的浓度分布，与叶绿素浓度分布有关：

步骤407：针对悬浮物的吸收系数k_悬浮物(λ)分析建模。采用悬浮沙粒的吸收经验公式计算：

其中，k_悬浮物(λ₀)表示参考入射光波长处的悬浮沙粒单位质量浓度吸收衰减系数，取参考波长为400nm，则根据已有实验测量结果：k_悬浮物(λ₀)＝0.08m²/g；S_d表示悬浮沙粒吸收系数光谱斜率，其随悬浮沙粒成分不同而变化，取值在0.005nm^-1-0.015nm^-1之间，可根据具体海域的观测数据进行拟合得到；C_悬浮物(D)表示悬浮物浓度(mg/L)，海水中其分布与深度D相关。

步骤408：针对海水散射系数α(λ)分析建模。综合考虑，海水对激光的吸收衰减作用可以表示为四部分散射衰减系数的叠加：

α(λ)＝α_叶绿素(λ)+α_水(λ)+α_盐(λ)+α_悬浮物(λ)

式中，α_水(λ)和α_盐(λ)分别表示纯水分子和盐离子对激光的瑞利散射衰减系数，通常一起作为水合离子的形态进行分析；α_叶绿素(λ)表示叶绿素对激光的散射衰减系数；α_悬浮物(λ)表示海水中悬浮物对激光的散射衰减系数。

步骤409：针对海水的纯水分子和盐离子对激光的散射衰减系数分析建模。具体地，将水和盐离子的散射衰减系数作为水合离子的形态一起分析，表示为两种因素散射衰减系数的总和：密度本征起伏和各向异性水分子运动方向起伏而引起的散射衰减系数α_d，以及海水中无机盐离子水合物的光散射系数α_i之和：

α_水+盐＝α_d+α_i

其中，α_d受温度影响，在极稀海水中，其可认为仅与纯水分子有关，其计算公式为：

式中，k为玻尔兹曼常数(1.3806504×10^-23J/K)；T_w为海水温度(K)；ρ_w为海水密度(kg/m³)；ω为海水的退偏振度，已有理论取值为0.039。β_T为等温压缩系数(Pa^-1)；

可以表示为海水折射率n的函数，计算式为：

β_T可以表示海水无机盐体积摩尔浓度M(mol/L)的函数：

β_T＝(d₀+d₁·M+d₂·M^1.5)×10^-8

其中，d₀、d₁、d₂为特征系数，对于无机盐成分主要为NaCl的海水，其取值分别为：0.045901、-0.00634681和0.00125249。

根据瑞利散射理论，海水中无机盐离子水合物的光散射系数α_i可以表示为：

其中，N_w为离子数密度(m^-3)；r_i为无机盐离子水合物半径；ε、ε_w分别为无机盐离子水合物的介电常数和纯水的介电常数，在可见光波段，纯水的介电常数可表示为折射率n的平方；η为去极化因子，已有理论值为0.039。

常见无机盐离子水合物半径r和介电常数ε_w如下表：

离子种类	r	ε<sub>w</sub>
			Na<sup>+</sup>	2.55	4.46
K<sup>+</sup>	2.88	1.69
			Mg<sup>2+</sup>	2.15	1.99
Ca<sup>2+</sup>	4.12	1.68
			Cl<sup>-</sup>	3.32	1.19

步骤410：针对海水的叶绿素散射系数α_叶绿素(λ)分析建模。采用Morel散射衰减经验公式计算：

步骤411：针对悬浮杂质的散射衰减系数α_悬浮物(λ)分析建模。采用Morel经验模型计算：

其中，C_悬浮物(D)表示悬浮杂质的浓度分布，是深度的分布函数。

S5.综合各部分传输子过程中激光衰减数学模型，建立能够反映复杂海洋-低层大气环境影响下激光探测水下目标全过程传输模型，形成环境因素特征参数到激光在复杂环境中的能量衰减的定量映射。

由图2所示的激光传输过程，根据上述建立的三个子过程的衰减系数模型，基于比尔定律，可以得到复杂环境影响下的海洋-低层大气激光传输模型：

式中，P₀为激光发射功率；P_DR为经过复杂海洋-低层大气环境衰减后的激光功率。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (5)

1.一种复杂环境影响下的海洋-低层大气激光传输建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.根据激光在低层大气、海-气界面、海体三部分环境中的传输机理，将激光探测海下目标的传输过程分为低层大气传输子过程、海面透射子过程、海体传输子过程；

S2.确定各子过程中的环境因子及其特征参数；

所述激光为蓝绿激光，其中通过分析低层大气成分对激光衰减的作用机理，确定低层大气传输子过程中的环境因子为大气分子和气溶胶粒子，特征参数为气温、气压、降水率和能见度；

通过分析激光跨介质传输过程的特性，确定海面透射子过程中的环境因子为海浪，特征参数为海面风速；

通过分析海体成分对激光衰减的作用机理，确定海体传输子过程中的环境因子为水分子、盐分子、有机物和悬浮颗粒，特征参数为水温、盐度、有机物浓度和悬浮物浓度；

S3.针对低层大气传输子过程，基于大气光散射原理，建立复杂环境下激光低层大气衰减系数模型；

S4.针对海面透射子过程，基于几何光学理论，建立激光入射角与海面倾角模型，进一步结合菲涅尔公式建立海面入射点激光透射比模型，然后结合海风海浪谱三维模型，以激光照射在海面上的光斑为研究对象，采用空间剖分技术，对光斑水平分布范围内的光路透射特性进行统计计算，进而建立复杂环境下海-气界面激光透射比数学模型；

其中，所述建立激光入射角与海面倾角模型具体包括如下步骤：

将激光从大气中射入海体的透射路径作为下行信道，将激光经过反射后从海体中射入大气的透射路径作为上行信道，

1)基于几何光学理论，建立下行信道的激光入射角与海面倾角的数学模型：

将海面法线L₁与海浪法线L₂之间的夹角α定义为海面倾角，当海面倾角α取值为

时，

下行信道上激光光线相对于当前海浪表面的入射角θ₁为：

θ₁＝|δ-α|

下行信道上出射激光光线的折射角θ₂为：

海水中下行信道上激光出射方向角θ₃为：

其中，n为海水相对于空气的折射率，由菲涅尔折射定律可知

δ为下行信道上激光的扫描角；

2)基于几何光学理论，建立上行信道的激光入射角与海面倾角的数学模型：

当海面倾角α取值为

时，

上行信道上激光入射角θ′₁为

θ′₁＝|δ′-α|，

上行信道上出射激光光线的折射角θ₂′为

θ′₂＝arcsin[n·sin|δ′-α|]

上行信道上大气中出射激光光线的方向角θ₃′为

θ′₃＝|α+arcsin[n·sin(δ′-α)]|

其中，δ′为上行信道上激光入射方向角；

假定下行信道和上行信道的光路互逆，上下行信道上的光路角度关系为：δ′＝θ₃，θ′₁＝θ₂，θ′₂＝θ₁，θ′₃＝δ；

所述建立海面入射点激光透射比模型具体包括如下步骤：

1)将激光作为入射平面波分解成两个相互垂直的分量s波和p波，其中，s波为垂直于入射面的光分量，p波为平行于入射面的光分量，

基于菲涅尔公式，建立激光入射角与光振幅透射系数模型：

其中，t_s-d为s波的理论振幅透射系数；t_p-d为p波的理论振幅透射系数；μ₁，μ₂分别为大气和海水两介质的磁导率；n₁，n₂分别为大气和海水两介质的折射率；

2)基于步骤1)中建立的激光入射角与光振幅透射系数模型，根据上下行信道的激光入射角与海面倾角的数学模型，得到下行信道上s波的振幅透射系数t_s和p波的振幅透射系数t_p：

以及上行信道上s波的振幅透射系数t′_s和p波的振幅透射系数t′_p：

3)基于步骤2)中得到的上下行信道的激光入射角与光振幅透射系数模型，建立上下行信道的激光透射比模型：

s波和p波的透射比ρ_s，ρ_p与其理论振幅透射系数的关系为：

在入射光波的偏振特性对激光透射比的影响下，当下行信道的激光偏振方向相对于法平面的方位角为β时，基于步骤2)中的得到的上下行信道上s波和p波的振幅透射系数，得到下行信道的激光透射比ρ和上行信道的激光透射比ρ′为：

其中，β′表示折射光线的偏振方向相对于法平面的方位角，其计算公式为：

将上下行信道的激光透射比相乘，得到激光光束在海-气界面入射点的总透射比ρ_wg为：ρ_wg＝ρ·ρ′，由此建立海面入射点激光透射比模型；

所述建立复杂环境下海-气界面激光透射比数学模型具体包括如下步骤：

采用基于海浪谱的Gestner海浪谱模型对海面进行模拟仿真，得到不同海面风速S下的海浪谱模型，基于所述海浪谱模型和所述海面入射点激光透射比模型，利用加权统计平均方法得到二维海面上激光束入射光斑内平均透射比为：

其中，Ψ(x，y，t)为光斑内透射比分布，其是与位置和时间相关的分布函数；ω(x，y，t)为加权平均的权重因子，因海浪程度与运动状态的不同，权重因子随位置和时间发生改变；R为海面光斑半径，其以激光能量衰减到中心能量1/e作为光斑边界条件，求解目标海面上激光轮廓信息得到，

当海面仿真区域面积扩大时，所述二维海面上激光束入射光斑内平均透射比趋于一特征值

用所述特征值

作为复杂环境下海-气界面激光透射比，由此建立复杂环境下海-气界面激光透射比数学模型；

S5.针对海体传输子过程，基于分子散射和吸收模型，建立复杂海体环境下激光海水衰减系数数学模型；

S6.根据步骤S3中建立的复杂环境下激光低层大气衰减系数数学模型、步骤S4中建立的复杂环境下海-气界面激光透射比数学模型以及步骤S5中建立的复杂海体环境下激光海水衰减系数数学模型，基于比尔定律，建立复杂环境影响下的海洋-低层大气激光传输模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用基于海浪谱的Gestner海浪谱模型，以有限元法对海面进行模拟仿真。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤S3具体包括如下步骤：

1)基于比尔定律，得到激光在低层大气中的能量辐射传输公式如下：

I(R)＝I₀exp[-∫₀ ^Rμ_G(r，λ)dr]

其中，I(R)是波长为λ的激光在大气中传输距离R后的功率；I₀是激光的传输前功率；μ_G(r，λ)是距离r处的大气衰减系数，

2)根据低层大气中环境因子对激光衰减的叠加，得到低层大气的衰减系数μ_G(λ)的表达式：

μ_G(λ)＝A_m(λ)+A_a(λ)+S_m(λ)+S_a(λ)

其中，A(λ)是吸收系数；S(λ)是散射系数；下标m表示大气分子；下标a表示气溶胶，

其中，忽略激光大气分子吸收系数A_m(λ)和激光大气气溶胶吸收系数A_a(λ)，仅针对激光大气分子散射系数S_m(λ)和激光大气气溶胶散射系数S_a(λ)分析建模，

针对激光大气分子散射系数S_m(λ)分析建模，具体过程如下：

基于瑞利散射原理，首先计算大气中每个分子的瑞利散射总截面σ(λ)，其值由下式计算得到：

其中，n_S是波长为λ时的标准空气折射率；N_S是标准空气下的分子数密度；ρ_n是去极化因子；

标准空气状态下的气体瑞利散射系数β_s(λ)为：

β_s(λ)＝N_sσ(λ)·10⁵

根据当前环境实际气压和气温对所述标准空气状态下的气体瑞利散射系数β_s(λ)进行修正，得到大气分子散射系数S_m(λ)：

其中，N(P，T)为分子数密度，其由当前气压P和气温T决定；P_s表示标准大气压；T_s表示标准气温；

针对激光大气气溶胶散射系数S_a(λ)分析建模，具体过程如下：

根据散射粒子的尺度与波长的关系，气溶胶散射衰减满足米氏散射规律，采用雨、雾、霾三种气溶胶粒子的光散射衰减经验模型，根据实际天气状况进行选择性叠加，得到气溶胶粒子的总散射衰减系数，

雨粒子散射衰减采用以下经验模型：

其中，A_W为雨粒子散射衰减系数；W表示降水率，

雾粒子散射衰减采用以下经验模型：

其中，A_F表示雾粒子散射衰减系数；V表示大气能见度，

霾粒子散射衰减采用以下经验模型：

其中，A_M表示霾粒子散射衰减系数；a为波长修正因子，其与大气能见度的关系为：

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤S5具体包括如下步骤：

1)基于比尔定律，得到激光在海体中的能量辐射传输公式如下：

I(D)＝I₁exp[-∫₀ ^Dμ_W(r，λ)dr]

其中，I(D)是波长为λ的激光在海体中传输距离D后的功率；I₁是激光的传输前功率；μ_W(r，λ)是距离r处的海水衰减系数；

2)根据海体中环境因子对激光衰减的作用机理，将海水的衰减系数μ_W(λ)分解为海水吸收系数k(λ)与海水散射系数α(λ)之和：

μ_W(λ)＝k(λ)+α(λ)

3)针对海水吸收系数k(λ)分析建模，具体过程如下：

海水对光子吸收作用的主要因素为纯海水、黄色物质、叶绿素和悬浮粒子，基于此将海水的吸收系数表示为四种物质吸收衰减作用的叠加：

k(λ)＝k_纯海水(λ)+k_叶绿素(λ)+k_黄(λ)+k_悬浮物(λ)

其中，k_纯海水(λ)为纯海水的吸收系数；k_黄(λ)为海水中黄色物质的吸收系数；k_叶绿素(λ)为海水中叶绿素的吸收系数；k_悬浮物(λ)为海水中悬浮物的吸收系数；

4)利用光谱法对纯海水的吸收衰减系数随入射光波长的变化曲线进行测量，根据测量结果利用线性插值方法估算纯海水的吸收系数k_纯海水(λ)；

5)采用Morel叶绿素吸收系数经验公式对叶绿素的吸收系数k_叶绿素(λ)分析建模：

k_叶绿素＝k′(λ，C)·C_叶绿素(D)

其中，C_叶绿素(D)表示叶绿素浓度；k′(λ，C)为单位浓度叶绿素吸收率；

6)采用Morel黄色物质吸收系数的指数表达式对黄色物质的吸收系数k_黄(λ)分析建模：

其中，λ₀为参考入射光波长；k_黄(λ₀)为参考入射光波长处黄色物质的光吸收系数；S为光谱曲线的指数斜率，

海水中黄色物质的吸收衰减系数是黄腐酸和腐殖酸两种物质成分吸收系数的总和，其进一步表示为：

其中，k_f(λ₀)和k_h(λ₀)分别为参考入射光波长λ₀处的黄腐酸和腐殖酸单位浓度吸收系数；S_f和S_h分别是黄腐酸和腐殖酸的吸收曲线光谱斜率；C_f，C_h分别表示黄腐酸和腐殖酸的浓度分布，与叶绿素浓度分布有关：

7)采用悬浮沙粒的吸收经验公式对悬浮物的吸收系数k_悬浮物(λ)分析建模：

其中，k_悬浮物(λ₀)表示参考入射光波长λ₀处的悬浮物单位质量浓度吸收衰减系数；S_d表示悬浮物吸收系数光谱斜率；C_悬浮物(D)表示悬浮物浓度；

8)针对海水散射系数α(λ)分析建模，具体过程如下：

海水对激光的吸收衰减作用可以表示为4部分散射衰减系数的叠加，即：

α(λ)＝α_叶绿素(λ)+α_水(λ)+α_盐(λ)+α_悬浮物(λ)

其中，α_水(λ)和α_盐(λ)分别表示纯水分子和盐离子对激光的瑞利散射衰减系数；α_叶绿素(λ)表示叶绿素对激光的散射衰减系数；α_悬浮物(λ)表示海水中悬浮物对激光的散射衰减系数；

9)针对海水的纯水分子和盐离子对激光的散射衰减系数分析建模，具体过程如下：

将水和盐离子的散射衰减系数作为水合离子的形态一起分析，表示为如下两种因素散射衰减系数的总和：密度本征起伏和各向异性水分子运动方向起伏而引起的散射衰减系数α_d，以及海水中无机盐离子水合物的光散射系数α_i之和：

α_水+盐＝α_d+α_i

其中，k为玻尔兹曼常数；T_w为海水温度；ρ_w为海水密度；n为海水相对于空气的折射率；ω为海水的退偏振度；β_T为等温压缩系数；

表示为海水折射率n的函数，计算式为：

β_T表示海水无机盐体积摩尔浓度M的函数：

β_T＝(d₀+d₁·M+d₂·M^1.5)×10^-8

其中，d₀、d₁、d₂为特征系数，

根据瑞利散射理论，海水中无机盐离子水合物的光散射系数α_i表示为：

其中，N_w为离子数密度；r_i为无机盐离子水合物半径；ε、ε_w分别为无机盐离子水合物的介电常数和纯水的介电常数；η为去极化因子；

10)采用Morel散射衰减经验公式对海水的叶绿素散射系数α_叶绿素(λ)分析建模：

11)采用Morel经验模型对悬浮物的散射衰减系数α_悬浮物(λ)分析建模：

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤S6具体过程如下：

根据步骤S3中建立的建立复杂环境下激光低层大气衰减系数数学模型、步骤S4中建立的复杂环境下海-气界面激光透射比数学模型以及步骤S5中建立的复杂海体环境下激光海水衰减系数数学模型，建立复杂环境影响下的海洋-低层大气激光传输模型：

式中，P₀为激光发射功率；P_DR为经过复杂海洋-低层大气环境衰减后的激光功率。

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