我的世界GC如何制作能量射束接收器，能量收集器

文|一道Talk

编辑|一道Talk

21世纪将是“海洋世纪”，海洋研究对于人类更好地认识地球，更好地了解地球意义重大。随着水下航行器和水下传感网的迅速发展，海洋探索具有重要的科学意义和经济价值，同时也具有重要的军事意义。

如LiDAR等水下激光探测系统，是当前海洋科学研究中被广泛应用的一种前沿遥感技术，在水下侦察情报收集、近海海洋勘测、水雷检测与反雷等领域有着广泛的应用。

海水光学参数仿真

海水光学特性通常由相关光学参量表征，对研究海洋激光在海水中的传播具有重要意义，对海洋科学的发展、资源的开发和应用具有重要意义。然而，海洋通道中的光散射主要分为瑞利散射，Rayleigh散射和米氏散射，Rayleigh散射。

与米氏散射相比，海水中瑞利散射只占总散射系数的一小部分，瑞利散射产生的散射角度无方向性，对各光场的影响较为平均，可视为吸收衰减。

本项目拟采用米氏散射理论，对含不同粒径、不同密度的陆源悬浮物水体进行光学参数模拟，以简化瑞利散射模型为目标，对其光学特性进行研究。米氏散射理论中，消光效率系数Qe与散射效率系数Qs分别代表入射粒子几何截面上的消光率与散射率之比。

其中，an与bn为米氏散射，包括贝塞尔函数与汉克尔函数的有效系数，其表示为：

式中m=m1-i*m2代表介质的复折射率，m1代表介质对光的散射，m2则代表介质对光的吸收，尺寸参数x=2pr/l代表粒子周长与入射波长之比，nmax代表仿真的最大迭代次数。

xn，x和yn，x分别是由第一类Jn+1/2的球面Bessel函数和第二类半整数阶Hankel函数所描述的Riccati-Bessel函数构成的，它们分别是各自变量的微商。

有关研究表明，海水中悬浮泥沙颗粒的折射率虚部在4-10之间，通常呈球形。现在，将520nm波长激光作为例子，可以知道提供对应的球形陆源悬浮泥沙粒子的复折射率，并使用matlab对消光效率因子Qe和散射效率因子Qs进行仿真计算。

从下图中可以看出，由于球形陆源悬浮沙粒复折射率虚部分所占比例较小，所以其散射率系数和消光率系数非常接近。

也就是说，球形悬浮沙粒的复折射率虚部分所占比例很小，也就是说，球形悬浮沙粒对激光吸收的影响很弱。当微粒粒径与入射光波长一致时，其消光效率系数Qe、散射效率系数Qs均趋于稳定，且米氏散射系数Qs趋于稳定。

当微粒粒径较小时时米氏散射极小，且随粒径增大而增大；当微粒粒径较大时，会出现多种几何散射形式，如镜反射、漫反射等，后向散射急剧增大。

g的表达可以由具有米氏散射有效系数an,bn的散射效率系数Qs来表征：

在这个公式中，an*是an*,bn*是bn的共轭.在HG，q,g中，前向散射和后向散射之间的关系，也就是散射各向不同性。在g=1的情况下，所有的散射都是反向的，而在g=0的情况下，所有的散射都是正向的。现用MATLAB计算g随x的变化，得出变化曲线如下图所示：

从上面的图表可以看出，不对称因子g与粒子大小参数x呈复杂的非线性关系，随x的增加结果表明，g的加和值呈振荡递增趋势。在x15时g随着x的增大逐渐稳定并趋近0.8。

研究结果表明，在米氏散射域中，复折射率与其它光学常数的变化关系不大，因此颗粒粒径对复折射率影响最大。然而，由于微粒尺寸较大，当x>50，即微粒直径大于入射光波长时，传统的微粒散射相位函数不再适用，会产生较大的反向散射，且非对称因子g的变化不规律。

蒙特卡洛仿真流程

随着计算机运算能力的不断提高，蒙特卡洛方法已被广泛应用于海洋中光子的多次散射模拟，通过对大量随机光子散射路径的追踪，实现对水下激光发射与接收过程中光子态的统计。

主要研究内容包括：光的初始化；光的随机传播，包括吸收与散射；光的坐标与权值修正；光信息的解析获取。具体的算法流程是这样的：

2.1光子初始化

所有发射端产生的初始光子权值均为w1=1, q为半个发散角，w0为光束腰围半径。在笛卡尔坐标下，高斯光束是从X0Y平面发出的。

由高斯光束测得的强度分布：

，将功率 P设为1对于确定每个光子的在初始位置，r0,a0处，使用“接受-拒绝采样法”对r0进行采样：

(1)产生沿[0,1]均匀分布的随机数q1，使得r0=w0´q1；

(2)当满足以下条件时，生成均匀分布于[0,1]上的随机数q2

光子从 z=0的平面沿 Z轴方向传播，发散仰角q0在[- q, q]上均匀分布，传播方向j0均匀地分布在[0,2 p]上。所以光子的初始发射方向为余弦x1,y1,z1可表示为：

2.2光子水下传输

可以通过朗伯比尔定律采样来确定光子从发射端出来后在海洋中移动的自由步长 s：

其中， c为水体衰减系数，q3均匀分布于[0,1]。这个时候，光子的权重和坐标就会被更新：

其中， wth= b/c为散射系数与衰减系数之比，也就是散射反照率。假设光子检测器的位置z= S面，如果z2< S面，那么光子将继续做它的无序运动。

在上述两个公式中， f为方位角， qs为散射角。均匀分布于[0,2 p], qs由式2-6的 HG表示确定散射相位函数：

其中q4为[0,1]范围内随机数，3-4—，3-8循环，3-4直到光子达到或超过检测器的接收。

2.3光子坐标与权重修正

当光子在海水中经过多次吸收散射之后，我们需要判断光子的 Z轴坐标 zi与光子的发射端到探测端。接收器与接收表面间的距离为 S。

如果 Zi= S，则不需要对光子态进行修正，如果 Zi> S，则需要对光子态进行修正。坐标值使它正好位于检测器的接收面上。从式3-5可以得出，如果要使 zi= S，那么光子最后一次自由运动作步骤应由：

本文假定，当光子在水中自由运动了 s距离以后，会与水中悬浮的泥沙颗粒发生相互作用，部分能量会被吸收。

并将其散射掉，但是在修正最后一个步长时，我们会认为光子只在没有能量衰变的情况下移动了 s，的距离。所以在修正了光子的坐标之后，还需要修正光子的权值，也就是： wi= wi/wth。

2.4光子信息解析接收

光子在水中传播的蒙特卡洛方法，是指当满足下列条件中的一种时，具有终止条件的周期传播过程。停止处理：

(1)向发射端面反射光子；

(2)光子到达目标平面但是没有击中目标区域；

(3)低于阈值的光子能量，也就是低于光检测器的接收敏感度；

初始化后的光子按顺序参与到模块的计算中，当满足终止条件时，它会停止追踪，并发出下一束光子态，最后统计出所有探测到的光子态。

模拟的结果和分析

将模拟的基本参数设定为：总的入射光子数为106，高斯激光束的束腰半径为5 mm，探针的长度为1。检测仪的靶面是50毫米-50毫米。

3.1激光在水中的传播特性在不同海洋环境中的变化

在平静海域，陆源悬浮泥沙粒子的直径通常是0.1 mm-10 mm，通过对不同海域中悬浮泥沙粒子数量的测量，发现单位海水体积中的粒子数量 N较大109∶1012。

由 Smith和 Bake等提供的海水水气子光谱的吸收数据，本文根据第二部分米氏散射算法，选择了不同粒径、密度的陆源悬浮物，对520 nm高斯激光进行了处理。

使用第三部分的蒙特卡洛算法，其波长是520 nm，其初始发散角是：1 mrad高斯激光束在不同参量的陆源悬浮物微粒群中0-10m的传输特性研究接收到的功率通过以下的计算模拟得到了结果：

从上图可以看出，归一化的高斯激光束的接收功率随着传输距离的增加而呈指数下降，当海水中悬浮沙粒的直径或密度增加时，消光系数 c就会增加。

这个值的减少是因为海水中光子散射的数量的增加导致了光子能量的多次衰减。并且从图示曲线趋势中可以看到，随着传输距离的增加，悬浮泥沙粒子直径和密度的大小对归一化接收功率的影响越来越小。

当海水中悬浮的泥沙颗粒直径为3毫米，而每单位海水中颗粒数为1011时，520纳米高斯激光束通过3米后，接收目标表面的总光子权重几乎为0。可见，在含有多种微生物、藻类及陆源沉积物的真实海洋中，即使处于“透光窗口”位置的激光照射，其能量衰减也非常严重。

由下表分析可知，陆源悬浮物的复折射率虚部m2非常小，导致不同粒径、密度的颗粒群对海水的吸收系数变化不大，而高斯激光束对海水散射前向选择性的非对称性也不大。因此，激光在水中的衰减主要是由颗粒粒径、密度的变化引起的。

为了验证模拟结果是否与理论一致，利用 Matlab中 CFTOOL工具包，按照朗伯比尔定律拟合了0-10米的模拟数据，得到了如下结果：

由上表可知，由蒙特卡洛模拟计算得到的衰减系数略小于实际设定值，这是由于接收光子的目标表面比发射端表面更大，因此在一定距离内仍能检测到散射光子。

而且，随着颗粒直径、密度，也就是水体中的衰减系数的增大，拟合结果与真实情况之间的差异也会随之增大，这是因为散射在衰减系数中所占比例较大，会影响到光子在水中传输的最终坐标。因此，在米氏散射模型基础上，利用蒙特卡洛方法分析水下高斯激光束传输特性是可行的。

3.2高斯激光束初始发散角对水下激光传输特性的影响

为了保证在水下激光通信和探测等应用中，激光能够在穿越传输通道时到达核心区域，并且能够充分利用目标和接收端的能量，本项目将重点研究初始发散角对接收目标功率的影响。

为了探求单一变量对计算结果的影响，本研究设定了海水的吸收系数 a为0.02，散射系数 b为0.1,0.5,1,1.5,2，非对称系数 g为0.923。对于初始发散角为1毫拉德：0.1毫拉德的高斯激光束，经过不同的传输距离，其接收功率的正规化情况如下：

从上面的分析可以看出：

(1)随着散射系数的增大，初始散射角度的改变对接收端功率的影响变得更加显著，且在一定值下，接收端功率会出现不同程度的振荡现象；

(2)随著发射距离增加，初散角的增加，接收端功率的影响越大。随着散射系数的增大，光强振荡的幅度也随之增大；

(3)在某一初始发散角范围内，接收端功率变化较小，但对接收端功率无影响的发散角范围随传输距离的增大而减小，例如，该发散角范围在 S=1时为0-0.05 rad，在 S=2时降至0-0.025 rad。

本项目拟采用蒙特卡洛方法，结合米氏散射理论，研究520 nm波段高斯激光束的水下传输特性。同时，本文还对激光初发散角对接收功率的影响进行了分析，结果表明，在一定范围内，激光初发散角对接收功率的影响较小，且该范围随散射系数的增大而减小。

理论上，拟采用“接收-拒绝”方法对高斯光束进行采样，并在水下传输过程中对光束坐标和权重进行修正，以提高模拟精度。本项目的研究成果将为水下激光通信与探测系统的设计与研究提供重要的理论依据。

同时，本项目假设陆源悬浮沙单球形颗粒存在于海水中，并将水分子瑞利散射作为系统整体衰减，而不考虑多个颗粒组分，浮游藻类颗粒、悬浮气泡形成的复杂体系的米氏散射和水分子瑞利散射。

因此，将米氏散射与瑞利散射相结合，进一步优化激光传输模型，提高模拟结果与真实情况。