[发明专利]一种基于相位屏的水下无线光传输蒙特卡洛仿真方法

权利要求书

1.一种基于相位屏的水下无线光传输蒙特卡洛仿真方法,其特征在于它是由下述步骤组成：

A、仿真系统初始化；

以Z轴正方向为光传输方向，Z＝0为光源所在平面，设置传输距离为10～200m，波长λ为400nm～600nm；光子数N为1000～10000000；高斯光束的束宽ω₀为0.5～50mm，Δz为相位屏在Z轴上的间隔，取值范围0.5～10m，相位屏的大小为0.5～3m×0.5～3m；方位角为光子散射方向在XOY面上的投影与X轴正半轴的夹角；散射角θ为光子传播方向与X轴正半轴之间夹角；

设定水体吸收系数a为0.1～3/m,散射系数b为0.01～3/m，衰减系数c＝a+b，海水信道的单次散射率T_sca为散射系数b与衰减系数c之比，光子的权重为1；

B.对高斯光源进行采样，确定光子的初始坐标和初始方向，采样方法如下：

(B1)生成取值范围为(0,1)的随机数r₁和r₂；

(B2)确定初始散射角

(B3)确定方位角

(B4)确定径向距离

(B5)确定光子初始坐标(x₀,y₀,z₀)为

(B6)确定光子初始方向(μ_x,μ_y,μ_z)为

(B7)重复B1～B6，即可生成所有光子的初始坐标与初始方向；

C、生成相位屏，具体步骤如下：

(C1)选定海洋功率谱φ(κ_x,κ_y)：

其中，κ_x和κ_y分别是空间频率在x方向和y方向上的分量，ε为单位体积海水的能动耗散功率；χ_T为均方温度耗散率，ω为温度导致的海洋湍流与盐度导致的海洋湍流的比值，η为Kolmogorov尺度；其中，A_T＝1.863×10^-2，A_s＝1.9×10^-4，A_TS＝9.41×10^-3；

(C2)确定相位屏谱

其中，k＝2π/λ为光束的波数，Δz为相位屏在Z轴上的间隔；

(C3)利用对高斯随机复矩阵h(κ_x,κ_y)进行滤波和傅里叶变换，即可得到相位屏

其中，C为控制相位屏方差的常数因子，其中，Δκ_x、Δκ_y为取样间隔；

(C4)重复C1～C3，即可生成全部相位屏；

D、计算光子的随机步长d：

其中，r₃是范围为(0,1)的随机数；

E、根据光子坐标(x,y,z)、光子方向(μ_x,μ_y,μ_z)与随机步长d，判断光子是否与相位屏相交，是否达到接收面；

F、若光子不与相位屏相交，未到达接收面，则

(F1)更新光子的权重W_i+1：

W_i+1＝W_i·T_sca

其中，W_i+1为散射i+1次后光子的权重，W_i为前i次光子权重损失之和，T_sca为海水信道的单次散射率；

(F2)根据HG散射相函数计算散射角θ与方位角

其中，g为非对称因子,取g＝0.924，r₄和r₅是取值范围为(0,1)的随机数；

(F3)更新光子的方向

其中，

(F4)更新光子的坐标(x_i+1,y_i+1,z_i+1)：

G、若光子与相位屏相交，未到达接收面，则

(G1)计算光子与相位屏相交的坐标(x_p,y_p,x_p)为：

其中，(x_i,y_i,z_i)和(μ_xi,μ_yi,μ_zi)分别为穿过相位屏前光子的坐标与方向，z_phase是相位屏在Z轴上的位置；

(G2)若光子在穿过相位屏时，传输方向发生改变，根据广义折射定律，更新光子的方向(m_xap,m_yap,m_zap)：

其中，k＝2π/λ为光束的波数；

(G3)光子通过相位屏，下一次散射发生前光子的坐标(x_i+1,y_i+1,z_i+1)为：

(G4)根据HG散射相函数计算散射角θ与方位角

其中，g为非对称因子,取g＝0.924，r₄和r₅是取值范围为(0,1)的随机数；

(G5)更新光子的方向

其中，

H、循环执行步骤D～G，直到光子与接收面相交，记录光子与接收面相交的位置坐标，记录光子的权重。