人类开发和探测海洋的重要技术是水下探测技术,其中声纳是采用声波进行水下探测的常见装备,但声波具有带宽利用率低、传播速度慢、时延大等缺点。为了弥补声纳技术的缺陷,水下激光探测技术采用对海水穿透能力很强的蓝、绿激光代替声波进行探测,在水下探测领域发挥至关重要的作用。水下激光探测技术具有传播速率快、指向性强、成像分辨率高等优点,但是海水对激光能量的衰减作用以及不同类型目标对激光的反射性能都是影响水下激光探测系统的重要因素。由于海水中存在形状各异的黄色溶解物质以及非色素悬浮颗粒,造成了海水的各向异性,从而使海水不均匀,令激光在水中传播过程中的衰减相对在大气中更加严重。海洋悬浮颗粒的尺寸、复折射率等属性造成了海水具有不同的衰减系数,不同衰减系数的海水对激光的衰减作用严重影响了水下激光探测系统的作用距离和探测性能。另外,目标对激光的反射特性是影响水下激光探测系统的重要因素。本文建立了水下蓝绿激光传播的光学模型,采用蒙特卡罗算法模拟了光子在水下行走的过程,研究了不同衰减系数的海水介质对蓝绿激光的散射和吸收作用,分析了海水中的悬浮颗粒的散射特性及偏振特性,推导了海洋强弱湍流下的光强起伏,建立了不同衰减系数的海洋湍流下激光的传播模型,验证了海洋湍流对接收光强的影响,并且根据水下激光雷达方程,推导了特定目标的水下激光反射光强表达式,给出其反射特性。本文的研究内容和成果如下:1、利用蒙特卡罗模拟光子运动过程建立了水下激光传播模型。采用波长为532nm的蓝绿激光,分析了几种典型海水中的光学脉冲响应,仿真研究了接收光功率与海水类型、传播长度、收发装置系统参数等重要参数的关系。研究成果验证了在清澈水域中,传播距离小于40米时,接收端的系统参数对接收光功率的影响较小;但在浑浊水域中,时延扩展会因接收视场角和激光发散角的增大而增大,从而会降低光的传播效率。研究显示:当衰减长度小于等于传播长度时,接收光功率近似或小于比尔定律,并且接收光强随接收孔径的增大而减小;但当衰减长度大于传播长度时,接收光功率近似或大于比尔定律,且接收光强随着接收视角的增大呈现先增后恒的趋势。2、提出等效球形粒子米氏散射理论和蒙特卡罗数值模拟相结合的方法,全面地给出海洋悬浮粒子对水下激光传播光路的影响,分析了两种典型水下悬浮粒子特性及入射光波长与光学系数的关系,给出了粒子尺寸和复折射率对接收归一化能量、接收光强、光路长度、时延的影响。研究结果表明:粒子的光学系数会随着粒子尺寸增大而增大,使相同传播长度的接收归一化能量减小,光子散射次数增加,接收光强减弱,时延增大;验证了粒子复折射率虚部越小,接收的归一化能量越强,接收光强峰值越大,但复折射率虚部相同而实部不同时,给出了接收光强峰值的大小取决于反照率的结论。3、在海洋悬浮粒子的光散射特性的研究基础上,给出了悬浮粒子对水下激光偏振特性的影响,建立了水下激光辐射传播偏振特性模型,采用蒙特卡罗方法完成了四种不同入射偏振激光的斯托克斯矢量和偏振度的统计。研究结果表明:随着颗粒尺寸的增大,激光会产生退偏振的现象,粒子尺寸对线偏振光的影响大于圆偏振光,并且偏振激光在水下传播过程中随着传播距离的增加也会产生少量的退偏现象。最终验证了圆偏振光在水下传播过程中保持着良好的偏振特性。4、在分析了平静海水对激光的衰减效应之后,进而研究了海洋湍流对激光传播特性的影响。采用了包含盐度与温度的涡流扩散比的湍流折射率空间功率谱函数,基于Rytov方法,推导了高斯激光束在弱到强海洋湍流下的闪烁指数表达式。评价了传播长度和一些重要的海洋湍流参数对弱到强海洋湍流中高斯波的闪烁指数的变化,分析了强弱湍流下的水下无线光通信系统的性能。海洋强湍流下的高斯波闪烁指数理论研究是对海洋湍流下光强起伏相关理论的进一步完善。结果表明:一些重要的海洋湍流参数对强和弱湍流下高斯光束的闪烁指数的影响是相反的。5、采用蒙特卡罗数值模拟方法,根据光束的粒子特性,将激光束等效为大量的光子,把海洋湍流看作是若干个大小不同但是各向同性的湍流涡旋细胞,提出了高斯激光波束在不同衰减系数下的海洋湍流下传播的样本统计模型,研究了海洋湍流对高斯波束传播特性的影响,为更加全面地研究激光在海水中的湍流效应提供了新的方法。结果验证了在有吸收和散射的海洋湍流下,清澈水域和浑浊水域的接收光强的概率密度函数都符合对数正态分布,并验证了海洋湍流也会削弱接收光的能量。6、基于空气的激光雷达方程,推导了水下目标的激光雷达方程,给出了水质的光学衰减系数和入射角对目标回波功率的影响。将单基站模型用于研究目标的反射特性,给出了镜面和漫反射分量的相关系数对典型目标的三种特殊轴对称形状的反射光功率的影响,计算三种目标在不同表面下的回波功率信噪比。研究结果表明:当目标为轴对称特殊形状时,目标表面的镜面反射分量中的反射光功率会随着表面斜率的增大而增大;目标表面的漫反射分量中的反射光功率随着漫反射系数的增大而减小。本文的研究工作对设计水下激光探测系统提供了重要的理论基础,对设备的选取、水下悬浮颗粒的检测、海洋湍流下的光传播理论的推进提供了参考价值。