气海动态跨介质海面蓝绿激光下行传输链路上的散射特性.docx
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2023-02-23
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0. 引 言
构建空天地海立体化光信息传输网络是第六代通信系统(the Sixth Generation, 6 G)的重
要目标
[1]
。而实现空天地海立体化光信息传输首先需要解决的难题就是气海-海气跨介质动
态海面条件下激光上下行传输问题。气海-海气之间的跨介质激光传输路径复杂，主要由近
海面大气、动态海面和海水组成
[2]
。目前，国内外已有大量关于蓝绿激光在不同信道中传
输特性研究的相关参考文献[3–11]，但这些研究大部分都仅仅考虑蓝绿激光在单一信道下
或单一参数影响下的传输，而关于蓝绿激光通过气海动态海面和海水信道的跨介质散射特
性研究尚未见报道。因此，研究气海跨介质动态海面条件下激光散射问题对构建空天地海
立体化全光信息网具有重要意义。
1963 年，Duntley 等人
[12]
通过研究表明 470~540 nm 波段之间的蓝绿激光在海水信道中
传输时衰减系数较小，与大气湍流类似，蓝绿激光波段为激光在海水信道中传输的“透光窗
口”。自此人们在进行水下激光传输理论与实验研究时，主要以蓝绿激光作为载波。早在
1979 年，国外学者 Fung 等人
[13]
在构建地海成像模型时就应用粗糙面散射理论对气海跨介
质的海面光散射进行了探讨。王敏等人
[14]
讨论了大气、海水和海气界面中蓝绿激光上行传
输的信号能量传递。李祥震等人
[15]
对复杂海况下激光通过气-海信道的传输信道进行了研
究。李松朗等人
[16]
对蓝绿激光空地下行链路通信性能进行分析。李寅龙等人
[15]
对蓝绿激光
通过空中-水下信道的光斑变化进行了研究。元晓等人
[17]
利用矢量辐射传输理论、Mie 理论
以及粗糙面散射理论建立了泡沫-海面模型，并对蓝绿激光通过泡沫海面的散射特性进行了
分析讨论。李聪等人
[18]
采用 Monte Carlo 方法主要对不同天气条件(晴天、层云和卷云)下蓝
绿激光跨介质下行传输特性进行了研究。王明军等人
[11]
对蓝绿激光通过海面-气泡层的透过
特性进行了研究，但未考虑近海面海雾和海水中叶绿素的影响。
文中在考虑不同近海面大气海雾能见度、不同叶绿素浓度、不同气泡浓度等真实海水
条件情况下建立了蓝绿激光通过气海动态跨介质海面下行传输模型。以波长为 532 nm 的蓝
绿激光为入射波，数值计算了蓝绿激光通过气海动态跨介质海面下行传输激光透过率。讨
论了近海面海雾能见度、气泡和叶绿素浓度对蓝绿激光散射特性的影响。
1. 气海动态海面蓝绿激光跨介质散射特性
1.1 海雾对蓝绿激光散射特性的影响
蓝绿激光进行气海跨介质传输时，均涉及到了近海面大气环境特性的研究。由于海水
和近海面大气之间的能量交换，海面上方常常存在一层海雾。海雾中的粒子对蓝绿激光具
有吸收和散射作用，进而影响蓝绿激光的传输和探测能力。因此，探讨海雾对蓝绿激光的
影响对建立蓝绿激光跨介质传输模型具有重要的意义。
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