[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

说明书

一种基于相位屏的水下无线光传输蒙特卡洛仿真方法，它是由下述步骤组成：A、仿真系统初始化；B、对高斯光源进行采样，生成光子的初始坐标与方向；C、选定海洋功率谱，根据谱反演方法，生成仿真所用相位屏；D、计算光子随机步长；E、根据光子坐标，方向与随机步长，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，则更新光子的权重、位置、方向；G、若光子与相位屏相交，未到达接收面，则计算光子与相位屏相交的坐标，更新光子坐标、方向；E、循环执行步骤D～G，直到光子与接收面相交；更加全面的研究光信号在海水中传输的多径效应，可推广应用到水下无线光通信领域。

技术领域

本发明属于水下无线光通信领域，尤其涉及一种基于相位屏的水下无线光传输蒙特卡洛仿真方法。

背景技术

水下通信是探索海洋的关键技术之一。由于电磁波在水下衰减严重，声学通信是目前水下应用最广泛的技术。水下声学通信虽然传输距离远，但受到传输带宽限制，通信速率限制在Kbps量级。研究发现，蓝绿波段可见光可作为可见光通信窗口。近年来，蓝绿光水下光通信由于速率高、方向性好受到研究者广泛关注。

海水介质成分复杂，含有叶绿素、黄色物质及各种矿物质。另外，由于水下盐度场、温度场及水流密度场的存在导致海洋湍流现象。复杂的海洋环境将对蓝绿信号光传输造成严重降质。水中杂质对传输光束具有散射作用，这是水下光脉冲展宽及码间串扰的主要原因。利用散射相函数可以模拟水中粒子的散射特性。进一步借助蒙特卡洛方法可以进行水下无线光信道模拟，可以得到大量光子在水下传输时由于散射引起的时间展宽效应以及光斑空间扩展现象。仅由粒子散射效应导致的时间展宽效应以及光斑扩展现象是时间不变的。湍流效应不会衰减光信号，但会造成海水折射率的不均匀性，改变光传播方向，造成接收端的光强闪烁，是接收机误码率特性的主要因素之一。湍流效应随着传输距离的增加，变得更加剧烈。尤其对于长距离的水下蓝绿光通信，湍流效应不可忽略。

真实海水环境对传输光信号的影响是光吸收散射、湍流效应的综合作用。但是对于水下无线光信道建模，水下粒子散射效应和湍流效应在信道仿真过程难以统一。水下湍流效应无法融入到模拟吸收散射的蒙特卡洛仿真框架。

发明内容

解决上述技术问题采用的技术方案是由下述步骤组成：

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