蓝绿激光水下传输特性

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目 录

1 绪论 4

1.1研究背景 4

1.2国内外研究现状 5

2 激光研究知识 6

2.1光的传播 6

2.2光传播信道能量的衰减 7

3 海洋中的蓝绿激光窗口 8

3.1 海水光学性质 8

3.2海水的吸收和散射 8

3.3 光在海水中的衰减 9

4 水下蓝绿激光传输的衰减系数与水体浊度关系 11

4.1水体衰减系数与浊度 11

4.2 衰减系数和水体浊度的关系 11

5 总结 12

蓝绿激光水下传输特性研究

王鹏飞

，China

Abstract：The vast ocean is an important area of human scientific and engineering exploration in the 21st century，People are eager to use more advanced methods to conduct marine resource development and marine environmental exploration. The demand for faster and more accurate hydrological surveying techniques has directly promoted the development of blue-green light detection technology. Blue-green lasers have stronger seawater penetration than other wavelengths of electromagnetic radiation. Therefore, we need to understand the characteristics of blue-green lasers underwater to support underwater exploration.

Firstly, this paper introduces the knowledge of laser research in detail, and understands that electromagnetic waves and light waves have exactly the same characteristics, and understand the attenuation of light propagation and propagation; Then analyze the optical properties of seawater, and conclude that the attenuation of light from seawater originates from the absorption and scattering of seawater and further explores how absorption and scattering affect the propagation of light; Subsequently, the attenuation characteristics of the blue-green laser under water were studied, confirming the presence of a blue-green laser window similar to the “atmospheric window” underwater. Finally, the attenuation coefficient and turbidity of the underwater laser transmission are analyzed, and the relationship between the attenuation coefficient of the underwater blue-green laser transmission and the turbidity of the water is explored. The greater the turbidity of the water, the greater the attenuation coefficient of the blue-green laser transmission underwater, Larger, faster blue-green laser attenuation.

Key word: Blue-green laser; Underwater transmission; Attenuation coefficient; Water turbidity

1 绪论

1.1研究背景

海洋是生命的起源，世界上最早的生物便是由她孕育而出。海洋是人类既陌生又熟悉的领域。海洋的总面积大约是3.6亿平方公里，它的平均水深大概是3794米，地球表面积的71%便是海洋。海洋中含有十三亿多万立方千米的水资源并占了地球上97%的总水量。现如今超过一半的百万人口以上的大城市都离海岸不足100Km左右，在中国，大多数经济发达城市处于沿海地区。人类与海洋的关系是极其密切的，但人类对于海洋的认识还是比较有限的。现如今，人类才探索了5%的海底，而有95%海洋的海底是人类未发掘的。

自古以来，在面对浩瀚的海洋的时候，人们能够感受到自身的渺小，同时引发了人们对海洋的好奇和探索精神。十五世纪到十七世纪是地理大发现的时代，远洋探索的展开促进了工业革命和资本主义的发展。随着科学和技术的进步，人类对于海洋的探索和开发进入了一个全新的时代。

这些年来人类面对人口问题、能源问题、环境问题等的挑战，也迫使着人们能够使用更加先进的手段来实现海洋环境的探测和海洋资源的开发。随着我国的改革开放、经济全球化以及对能源的需求，海上贸易和海洋资源将变得尤为重要。近海领域各港口水域将变为热点。在这几年政策影响下及我国对领海的主权，海洋将变得尤为重要。我们需要更加先进的手段来利用好这片海洋。

长期以来，声呐技术一直用于水下目标探测。但是声呐技术受限于本身固有的缺点，首先，声呐技术无法探测到海床上凸起的岩石和礁石；其次，这种探测方式的测量精度不高，测量点密度较小，达不到国际水文测绘的标准，不足以进行大范围的海床水位地理测绘。因此，人们需求一种新技术—一种测量速度更加迅速、精度更高的测绘技术，这直接推动了蓝绿激光测绘技术的发展。

蓝绿光探测系统不但可以用于测量海洋深度、绘制海底的地貌图，而且能够应用于其他的海洋学研究，比如: 内波探测、污染监视等，还可以应用于测绘岛礁周围海域的地理环境。

在开发海洋时，一步步建造船只，加强港口的建设，先开发海岸带，再慢慢发展到近海的探索，最后来开发大洋中的天然气、石油等。这一系列的工作使得技术需要更加强大。以现如今的技术来进行这一系列的工作还是远远不够的。在进行海洋开发时，最重要的核心任务就是观察海洋，能够探查海底情形，这一方面机器人视觉技术和水下摄影电视技术^【1】较为关键。对于潜艇这一类水下工作的机器来说，能否进行水下观测是十分重要的。说到观测与摄影，就一定会想到摄影或成像的清晰程度，如果清晰度太低，那么这种水下观测其实是失败的，没有参考价值。所以摄像机需要提高性能，以便能够清晰地观测海洋，进行各种水下工作，这是重要的也是必要的。现如今，人们也深刻地认识到了这一点。成像性能越强的摄像机就越有市场，随着路用摄像机的不断更新发展，用于水下的摄像机也在迅速发展。但是在研发高性能的水下成像系统时受限，主要是在海水中，图像传输受到了影响。水下成像系统有两个关键的指标，分别是作用距离和图像的分辨率，这些年使用声呐系统来探测和成像取得了不错的效果，但是在面对海洋中非常小的目标时，采用声呐系统去探测成像，效果并不理想，而使用激光成像技术去探测较小目标时，效果显著。从作用距离上来看，声呐技术的作用距离很远，可以用于发现较远的目标物体，但是由于声呐工作的频率较低，这使得声呐技术成像的能力较差，所成图像的分辨率较低。与声呐技术相反，若使用蓝绿激光水下成像技术，虽然蓝绿激光作用距离不远，但所成图像的分辨率高，即蓝绿激光水下成像技术可用于近距离的观测和细节成像。经过这些年的研究，人们已经清楚地认识到了蓝绿激光在水下目标成像的地位。多年来，国外都在研究蓝绿激光水下目标激光探测器，并取得了一些成就。

另一方面，随着人们对海洋的研究，越来越多的理论知识在不断深入，理论知识的完善意味着实践的需求，这对水下的激光技术提出了更高的要求，比如需要提高在恶劣的海洋环境下的通信效率，提高通信的稳定性，减少通信误码等，这一系列要求促进了水下激光通信技术的飞速发展。

现今，在多个武器系统领域中都广泛应用了激光通信技术，如陆地对潜通信、陆地作战部对五星通信、卫星对潜通信等。在潜艇对水下武器通信过程中，其工作主要体现于由指挥部向水下的武器战斗部发射作战模式信息，包括鱼雷引信信息装定等。对引信及潜艇通信方面，包括下行激光通信，即机载或卫星携带激光雷达对潜艇的探测研究和上行激光的通信，即潜艇与海面或空中接收雷达的通信^[8]。其中大气和海水是激光的通信通道，通信通道的不单一导致了复杂的通信条件。尽管条件复杂，但激光通信确实是可行的，在80年代，装载了蓝绿激光发射器的飞机在几千米的高空，透过云层向水下三百多深甚至于是冰层之下的潜艇通信也是可行的^[9]。

研究蓝绿激光水下传输特性是蓝绿激光水下通信传输技术的一个重要前提，只有在了解蓝绿激光在水下传输的特性，才能应用到蓝绿激光通信技术中，发挥蓝绿激光在水下的优越性在水下武器的引信中使用蓝绿激光通信技术，能够实现潜艇和鱼雷武器之前的通信、水下武器之前的通信、水上指挥站和水下武器之间的通信。

蓝绿激光的工作波段正是海洋中光传播的窗口，如果采用了蓝绿光通信，那么就可以和在海洋中工作的潜艇建立起通信通道。这样一来，潜艇在通信时就无需浮出水面，直接在当前位置或者更深的海域里利用自身外壳上的接收器来接收报文而不会对自身的活动造成影响，同时不会暴露自己，更加隐蔽。

相较于其他波长的电磁波辐射，蓝绿激光具有更加强力的海水穿透能力，故而我们需要深入了解蓝绿激光在水下的特性，来支持水下探测的研究。

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