[发明专利]一种光子传输性能仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于激光通信领域，特别是一种对激光对水下接收平台通信过程中，光子传输性能进行仿真的方法。

背景技术

在激光通信领域中，由于大气、海水的不稳定性，光传输过程中涉及的各种环境参数具有很大的随机性，而且光在大气和海水中传输由于多次散射的影响，几乎不可能用解析法描述光信号的传输过程。此外，星载激光对水下接收机通信试验工具和试验费用高，并且在实验室环境下，一些参数选择受实验条件限制(如海水和大气各层衰减系数等)，完全通过实验方法获取所有的数据也是不现实的。因此，目前是利用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法对激光在大气和海水中的传输情况进行仿真。

蒙特卡罗方法，又称随机抽样方法，是一种基于“随机数”的计算方法，它利用随机数进行统计试验，以求得的统计特征值作为待解问题的数值解。具体地，光子在大气或海水中发生散射的过程，可视为光子的随机运动过程，其过程完全可以利用蒙特卡罗方法正确地模拟。蒙特卡罗方法用于光子运动轨迹的计算机模拟时，光子以一个特定方向进入随机介质，通过散射或吸收系数确定光子下一步的运动距离。如果散射现象发生，可以由适当的散射相位函数选取散射后光子新的运动方向。重复进行以上过程，直到光子被完全吸收或从边界逃逸为止。

目前，国内的许多高校如华中科技大学、电子科技大学、长春理工大学、桂林电子科技大学等开展了蓝绿激光的应用研究。但是，现有研究资料采用蒙特卡罗方法对星载或者机载激光对水下接收平台的通信仿真中，均无提到遇到边界条件时所产生的误差。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种光子传输性能仿真方法。本发明采用的技术手段如下：

一种光子传输性能仿真方法，其特征在于包括：

步骤1：设定待仿真光子数目、各光子的初始状态和介质光学特性参数。初始状态包括光子的坐标r(X，Y，Z)，光子的运动方向ψ，光子运动路径长度l，光子能量权值W；介质光学特性参数包括介质吸收系数μ_a、介质散射系数μ_s；

步骤2：根据初始状态发射光子，对每一光子传输路径进行追踪，追踪过程中，对经过介质界面或接收平面的光子采用修正的蒙特卡罗方法实现追踪：

步骤3：基于追踪结果进行统计计算，生成光斑分布图、多径时延概率图、最大多径时延、63％光子平均多径时延和最大时延、光子所剩数目并显示。

本发明通过建立激光对水下接收平台通信传输的蒙特卡罗模型，统计接收面的光子信息，输出光子到达接收平面的多径时间延迟和光斑分布信息，模拟接收面光斑接收图以及多径时延图，其优点是针对光子运动路径上的介质界面及接收平面，提出了修正的蒙特卡罗方法，使得仿真结果更加准确，为进一步开发激光对水下接收平台通信系统提供了更精确的仿真数据。

附图说明

图1为光子传输性能仿真方法流程图。

图2为532nm绿光水下30米采用修正方法时接收面光斑分布情况。

图3为532nm绿光水下30米不采用修正方法时接收面光斑分布情况。

图4为532nm绿光水下30米采用修正方法时多径时延概率分布。

图5为532nm绿光水下30米不采用修正方法时多径时延概率分布。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明方法包括：

步骤1：设定待仿真光子数目、各光子的初始状态和介质光学特性参数。初始状态包括光子的坐标r(X，Y，Z)，光子的运动方向ψ，光子运动路径长度l，光子能量权值W；介质光学特性参数包括介质吸收系数μ_a、介质散射系数μ_s。

步骤2：根据初始状态发射光子，对每一光子传输路径进行追踪，追踪过程中，对经过介质界面或接收平面的光子采用修正的蒙特卡罗方法实现追踪。