引用本文:

王伟,李晓记,刘致宏,等. 海水信道下抵达光信号散射成份的比例特性分析[J]. 光通信技术,2020,44(4):58-62.

海水信道下抵达光信号散射成份的比例特性分析

王 伟1,2,李晓记1,2*,刘致宏3,杜卫海1,2,高 天1,2

(1.桂林电子科技大学 认知无线电与信息处理教育部重点实验室,广西 桂林 541004; 2.广西信息科学实验中心,广西 桂林 541004; 3.桂林电子科技大学 海洋工程学院,广西 北海 536000)

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摘要:针对海水光信道的散射效应问题,选择Henyey-Greenstein函数产生散射角,基于蒙特卡洛(MC)仿真方法分析了Ⅰ类水质和Ⅱ类水质信道下,传输距离和接收视场角(FOV)对抵达光信号散射成份的比例特性的影响。分析结果表明:Ⅰ类水质信道下,散射成份只占小于1.2%的比例;Ⅱ类水质信道下散射成份明显增加,此时,FOV的取值对散射成份比例特性的影响明显;尤其在Ⅱ类水质(港口)信道下,当传输距离大于6.0 m时,散射成份几乎占抵达光信号的100%。

关键词:海水信道;抵达光信号;散射成份;比例特性;蒙特卡洛

中图分类号:TN929.1 文献标志码:文章编号:1002-5561(2020)04-0058-05

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2020.04.014

0 引言
      海洋占地球面积的70%以上,蕴藏着极其丰富的自然资源,随着人类加快了探索海洋的脚步,对于可靠、高速和安全的水下信息传输提出了新的需求。然而,水声通信传输带宽有限,无线电波在海水中传播时衰减过快,均难以满足上述需求。现有研究已经证明蓝绿波段的可见光在海水环境下传播损耗较低,适宜用于水下短距离高速信息传输[1-3]。蒙特卡洛 (MC)仿真方法是研究散射媒介中光波辐射传输方程的通用方法,也常用来追踪光子的传播轨迹。相对于实验方法,它在灵活调整光信号的各种参数和统计大量的光子或光子包的基础上,全面准确地揭示水下光信道的散射特征[4-7]。
  文献[4-19]主要集中报道了水下光信号的时域、空间和总衰减特性等方面的研究情况,为分析散射海水信道中激光信号抵达接收平面时的空时分布特性提供了一定的理论参考。然而,由于海水光信道的散射特性,抵达光信号一定会包含一部分被散射一次以上的光子,该部分光子即为抵达光信号的散射成份,其对抵达光信号特性的影响非常重大。另一方面,检测器接收视场角(FOV)应与散射光子的到达角相匹配。根据文献[20]的海水分类标准,开阔海域可定为Ⅰ类水质,沿岸和港口水域可定为Ⅱ类水质。因此,本文基于上述分类,研究水质类型、传输距离和FOV对海水信道下抵达光信号散射成份的比例特性产生的影响,为应用于水下光通信系统的光电检测接收设备FOV的设计与研究提供数据参考。

3 结束语
       本文选择HG函数产生散射角,基于MC仿真方法分析了Ⅰ类水质和Ⅱ类水质信道下,传输距离和FOV对抵达光信号散射成份的比例特性的影响。研究发现:当Z0较小时,散射海水信道下抵达光信号的PS均以较大的斜率增长,随着传输距离的增大,PS的增长斜率变缓;I类水质信道下,PS只占小于1.2%的比例,此时,水下无线光通信系统的光电检测接收器件的设计可忽略FOV的取值;Ⅱ类水质信道下,PS明显增加,尤其在Ⅱ类水质(港口)信道下,当Z0>6.0 m时,各FOV取值下抵达光信号的PS几乎占100%,此时,信道损耗十分明显,在最优接收信噪比条件下,设计光电检测接收器件时应尽可能扩大FOV。综上所述,本文的相关研究可为应用于水下无线光通信系统的光电检测接收器件FOV的设计与研究提供技术参考。