水下激光通信系统接收机倾角...位置对接收光功率的影响研究_任彦儒.pdf
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1、收稿日期:通信作者:宗思光 :光电技术及应用 :水下激光通信系统接收机倾角及位置对接收光功率的影响研究任彦儒,宗思光,梁善永,李斌(海军工程大学 电子工程学院,武汉 )摘要:采用蒙特卡洛方法建立了水下高斯光束传输仿真模型,基于该模型重点研究了接收机倾角和接收机位置对接收光功率的影响规律。仿真结果表明:在水下信道中,当接收机探测器阵面与激光出射角垂直时,接收光功率最大,随着接收机探测器阵面倾斜角度的增加,接收光功率逐渐减小;当接收机沿着轴方向正向移动时,且接收机在激光束的直径范围内时,接收光功率不变;当接收机在激光束的直径范围外时,接收光功率随着接收机偏离原点距离的增加而减小。仿真结果可为水下激
2、光通信工程实践提供参考依据。关键词:水下激光通信;蒙特卡洛模型;接收机倾角;接收机位置;接收光功率中图分类号:文章编号:(),(,):,:;引言对于复杂海水信道中的光传输特性研究,大多采用蒙特卡洛方法来模拟光子的传输过程。年,西安光机所在三亚开展了水下无线光通信性能测试,通信距离为,传输速率为 ,采用蓝光大功率发光二极管()和大面积光电倍增管探测器(),设计出了“大角度发射宽视场接收”的 传输系统。阴亚芳等利用蒙特卡洛统计方法,仿真了激光冲激信号在近海海水中的时域 展宽特性,得到了近海海水中无线光传输的时域展宽模型。在工程实践中,由于水下信道的环境复杂,理想的海水信道模型尚未建立,使得水下激光
3、传输特性的理论研究和工程应用受到限制。因此本文基于蒙特卡洛方法仿真研究了接收机参数对水下光通信接收功率的影响。蒙特卡洛方法可以模拟光子在水下介质中的传输过程和运动状态,从而验证水下激光通信系统的信道模型和 通信效能分析方 法 的 准 确 性 和 可 行性。本文采用蒙特卡洛方法水下光通信信道特性,通过模拟大量光子的运动过程并记录光子状态来仿真水下激光的传输过程,重点研究了接收机倾角、接收机位置对接收光功率的影响。蒙特卡洛仿真模型及流程蒙特卡洛方法(,)是一种随机抽样方法,仿真中使用的采样数量越多,仿真结果越准确。本文采用蒙特卡洛模型对水下激光通信信道进行仿真,通过追踪大量光子的路径以及光子被接收
4、阵面接收到的情况进行统计,进而对水下信道的特性进行分析。具体流程如下:首先产生 个光子并发射到水下信道中,每个光子的初始权重设为,每个光子在水中的传输是独立的,且服从相同的统计规律。然后,生成每个光子的随机传输步长。由于水中粒子的吸收和散射,光子的权重在碰撞到粒子后会降低,光子的传播方向也会发生改变,记录每个光子的运动过程,最后计算到达接收机的光子的总权重。水下激光通信仿真流程如图所示。仿真模型使用笛卡尔坐标系来确定光子的初始位置,初始位置设为(,),光束宽度,最大初始发散角 ,光子的初始权重设为,光子的存活阈值 为,设置阈值用来兼顾计算准确率和计算速度,当光子权重小于存活阈值时,认为光子消亡
5、。光子的初始位置确定后,光子开始运动,光子的位置更新取决于光子的步长和方位角和散射角。光子碰撞到粒子后产生散射,散射后的步长由公式 ()()确定,分别是海水的吸收系数和散射系数,为,的随机数,如此重复上述过程,记录光子的运动过程。光子在运动过程中碰撞到粒子会产生散射和吸收,碰撞后光子的权重下降,碰撞前后的光子权重为:,式中 为散射反照率,即散射与总衰减之比。图水下激光通信仿真流程图碰撞后光子的新坐标为烅烄烆()当 时,即光子运动方向偏离轴,需要将光子新的方向投射到全局坐标系上,新的方向余弦可以表示为 ()槡 ()槡 槡 烅烄烆()当 时,即光子几乎沿着轴运动,光子新方向的全局方向余弦则为 ()
6、烅烄烆()和分别是散射方向的方位角和散射角。其中方位角服从均匀分布,可以表示为 ()半导体光电 年 月第 卷第期任彦儒 等:水下激光通信系统接收机倾角及位置对接收光功率的影响研究式中,为,的随机数。散射角由体积散射函数决定,利用 函数计算散射角,其表达式为(,)()()在本文中取 ,此时散射角可以从下式中得到:()()接收机的坐标设为(,),设接收视场角为 ,接收孔径为 。当光子的权重小于存活阈值 时,判定光子消亡,不再记录该光子的状态。当光子到达接收平面后,对此时光子是否被接收进行判断。当光子的坐标和方向满足如下公式时,认为光子被接收机接收。公式()表示光子到达接收机,并且其入射角在接收机的
7、视场角内。槡 ()()水下激光通信系统示意图如图所示,激光器在笛卡尔坐标系原点处,接收机与激光器的距离为,激光束沿着轴出射,光子在水下信道中经过散射和吸收到达接收机。图水下激光通信系统示意图结果分析基于上述光子传输模型,仿真研究和分析了接收机倾角、接收机位置、接收孔径对接收光功率的影响规律。接收光功率为接收到的光子权重和光子总数之比,即()式中,是发射的总光子数,是接收到的光子数,是光子的剩余权重。接收光功率和初始参数有关系,包括海水水质、发散角、传输距离、视场角、接收孔径等,仿真参数如表所示。表仿真参数设置仿真参数数值仿真参数数值光子数 最大碰撞次数 光束宽度 接收视场角()光束发散角 存活
8、阈值 接收孔径 传输距离 接收机倾角对接收光功率的影响根据表的仿真参数研究接收机倾角对接收光功率的影响,在仿真中接收机倾角为接收机探测器阵面与激光发射机平面(平面)的夹角,当接收机倾 角 为 时,接 收 光 功 率 为 。仿真中将传输距离设为,在纯净海水、远海海水、沿岸海水和港口海水中,接收光功率随接收机倾角的变化曲线如图所示。图不同海水水质下接收光功率随接收机倾角的变化由图的仿真结果可知,在四种不同的海水水质中,在接收机倾角为 时,即接收机阵面与激光传输方向垂直时,接收光功率最大;随着接收机探测器的倾斜,即接收机倾角的增大,接收光功率逐渐减小;到达 时,接收光功率最小,降为零。这是由于当接收
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