海气界面对蓝绿激光上行通信的影响研究

Because Blue-green Laser is in the low loss window, Lidar has been used for ocean remote sensing widely. As far as Blue-Green Lidar and Laser Communicaiton, the upward laser beam is distorted due to the rough sea surface. It limits dramatically laser transmission through sea surface and the application of Lidar under water. The beam distribution of upward laser beam through sea surface is studied based on the geometric optical theory, three dimension wave simulation and Monte Carlo simulation respectively. The influence of sea-air interface on the Laser Communication and Lidar will be studied based on these analysis systematical. One optimal solution on the underwater Laser will be given out. Some experiment will be designed to prove the result. The study will be useful to the design of Lidar application and Blue-Green Laser communication under sea water.

蓝绿激光处于海水低损耗窗口，广泛应用于海洋激光雷达及水下光通信。海气界面影响水下激光上行传输的光学特性，成为制约蓝绿激光上行通信的一道瓶颈。本项目综合理论分析与计算、蒙特卡罗仿真以及三维海浪模拟，并结合实验研究海气界面对蓝绿激光上行通信的影响，进而设计优化的水下发射方式以有效突破海气界面，确保上行通信的可靠性。本项目的研究将首先基于海面粗糙度对直射光束的折射光束概率分布进行理论分析与计算；在此基础上采用蒙特卡罗方法结合海水/大气对蓝绿激光的消光特性，模拟水下激光穿越海气界面的光学特性；进而在修正后的国际标准海浪谱基础上模拟三维海浪，并对海面进行有限面元网格划分模拟得出蓝绿激光穿过海气界面的实时特性和统计规律；同时对已获取的各种试验数据进行分析与综合，从而系统给出海气界面对蓝绿激光上行通信的影响；最终在充分研究的基础上设计出优化的水下发射方式以有效突破海气界面的影响，确保上行通信的可行性。

随着海洋监测技术的不断发展，海洋监测数据的实时传输需求日益增加，蓝绿激光通信变得越来越为重要。蓝绿激光处于海水低损耗窗口区域，是海洋中唯一的可长距离传输的光学波段，广泛应用于海洋激光雷达及水下光通信。海气界面影响水下激光上行传输的光学特性，成为制约蓝绿激光上行通信的一道瓶颈。本项目主要研究内容包括随机波动海气界面对上行激光传输的影响研究，有效突破海气界面的水下发射方式研究，以及模拟风浪水槽观测与验证试验。本项目的研究方法综合了理论分析与计算、蒙特卡罗仿真以及三维海浪模拟，并结合实验研究了海气界面对蓝绿激光上行通信的影响，进而在此基础上设计了优化的水下发射方式以有效突破海气界面，确保上行通信的可靠性。本项目的研究首先基于海面粗糙度对直射光束的折射光束概率分布进行了理论分析与计算；其次在此基础上采用蒙特卡罗方法结合海水/大气对蓝绿激光的消光特性，模拟了水下激光穿越海气界面的光学特性；接着在修正后的国际标准海浪谱基础上模拟三维海浪，并对海面进行有限面元网格划分模拟得出蓝绿激光穿过海气界面的实时特性和统计规律；同时对已获取的各种水池/水槽试验数据进行分析与综合，从而系统给出海气界面对蓝绿激光上行通信的影响；最终在充分研究的基础上设计出优化的水下发射方式以有效突破海气界面的影响，确保上行通信的可行性。经过对历年来的水池实验数据，海上实验数据和机载飞行数据的分析，本项目的研究结果表明随机波动的海气界面会对蓝绿激光上行通信产生一定的影响，导致上行激光穿越海气界面后的光场分布发生变化，近似呈现高斯分布，通过设计长条形的矩形光斑可以在一定程度上减轻海气界面随机波动对光场分布的影响，从而实现稳定的上行通信。本项目的研究成果可以用于在特定应用场合下优化水下发射参数，减弱海气界面的影响，确保上行通信的可行性，从而为水下光通信和其他蓝绿激光海洋应用技术等的实用奠定扎实的基础，对于促进海洋激光通信和激光雷达应用具有重要的作用。