海水激光通信信道的特性仿真与分析

2019-06-05西安交通工程学院中兴通信学院陕西西安710300

通信电源技术 2019年5期

王菲，赵彦（西安交通工程学院中兴通信学院，陕西西安 710300）

0 引言

在水下无线光通信中，蓝绿激光对潜通信具有通信数据率高和不影响潜艇隐蔽性和机动性的优点，是一种较理想的潜通信技术。而激光脉冲在水下传输时，受海洋信道中微粒具有的多重散射特性，将发生严重的散射现象，而这种散射现象引起的多路径效应会导致激光脉冲发生时域展宽，从而使信号波形发生变化[1-3]。本文通过蒙特卡洛方模拟法描述随机介质在海水中的光传输特性。

由于海水的复杂性，海水中含有很多杂质，目前的研究中关于水下激光通信没有具体的传输模型，且仿真模型较为简单。2013年，吴王杰[4]等人通过蒙特卡洛方法作数值模拟得出了接收面上接收到的光子时间和归一化光子数的分布规律。2015年，胡秀寒[5]等人为快速评估水下激光通信系统的最大通信距离，提出了一种半解析方法。本文通过分析海水激光的通信特性，采用蒙特卡洛法仿真分析了激光在海水中的传输特性，建立了传输模型，对激光信号经过海水信道后的能量研究具有重要意义。

1 海水信道激光传输特性

海水是一个非常复杂的系统，含有溶解物质、悬浮体和各式各样的活性有机体[6]。目前的研究对海水成分的分类还不统一，一般将海水所含的成分分为溶解的有机物和悬浮微粒，其中主要将悬浮微粒分为浮游植物和非色素悬浮微粒两种类型。

由于悬浮体和水体存在的不均匀性，使得光在传输过程中发生强烈的散射和吸收，从而导致衰减。因此，海水的光学特性与纯海水、溶解物质和悬浮体三种因素有关[7-8]。其中，海水的总衰减系数c(λ,chl,D)为：

式中，cw(λ)表示海水水分子的衰减系数；cf(λ,chl)表示浮游植物衰减系数；chl表示浮游植物中叶绿素a浓度；c1(λ,D)表示非色素悬浮微粒的衰减系数，其中D表示非色素悬浮微粒的浓度；ch(λ)代表黄色物质的衰减系数。

海水中的激光传输功率表达式为：

式中Pt是发射光功率，Pr是接收光功率，c(λ)为海水总衰减系数，d为水下通信距离，ηt为发射效率，ηr表示接收效率，η表示其他的附加效应影响。

2 蒙特卡洛仿真原理及方法

一般研究光在海水中的传输问题时，会根据光的粒子性将激光束看成是由很多个光子组成的光子束，这样光在海水中的传输问题就转化成光子在海水中的传输问题。这是由于海水中微粒的分布是随机的，所以光子在海水中作随机运动时，会与海水中的微粒发生随机碰撞现象。因此，光子在海水中的传输规律可以利用众多光子的随机运动统计来体现。这也是利用蒙特卡洛模拟法来研究光在海水中传输特性的重要原因。根据蒙特卡洛模拟仿真过程的分析与研究，得到本文的蒙特卡洛模拟仿真流程图，如图1所示。

图1为本文的仿真流程图。本次仿真是对光子的运动方向uz和传输距离z进行判断。在本次仿真中，当光子的运动方向uz≤0.9时，停止对这个光子的追踪，重新开始对下一个光子的追踪；当此个光子的传输方向的余弦uz≥0时，再判断此光子是否到达接收面，即对此次光子的传输距离z进行判断。

3 蒙特卡洛仿真结果及分析

图1 蒙特卡洛仿真流程图

本次仿真选取的传输距离为1 m、2 m和3 m三种情况。当传输距离为1 m时，若传输距离z≤1 m，即光子没有到达接收面，此光子继续进行碰撞，直至光子到达接收面，即传输距离z≥1 m。然后，对下一个光子进行追踪，使其满足以上两个条件，直至所有的光子追踪完毕。最后，对这些光子的位置坐标和权重进行统计计算，仿真得到所有光子的位置和接收光功率的关系图。

（1）当海水中的叶绿素浓度chl=0.3 mg/m3、非色素悬浮粒子的浓度D=0.8 mg/L、传输距离为1 m时，发射端光功率Pt不同时，光子位置与接收功率的关系如图2所示。

由仿真图2可知，在海水介质浓度和传输距离一定的情况下，随着发射端光功率的增大，接收端光功率也随着增大。

（2）当激光的发射功率Pt=-23 dBm、海水中的叶绿素浓度chl=0.3 mg/m3、非色素悬浮粒子的浓度D=0.8 mg/L时，传输距离不同时，光子位置与接收光功率的关系如图3所示。

由仿真图3可知，在发射光功率和海水介质浓度一定的情况下，随着传输距离的增大，光子在海水中的散射性增强，接收光功率随着衰减。