一种水下无线光信道光脉冲响应模拟方法与流程

1.本发明涉及无线光通信领域，具体涉及一种水下无线光信道光脉冲响应模拟方法。


背景技术：

2.水下无线光通信(underwater wireless optical communication，简称uwoc)可以提供实时性强、信道容量大和安全高速的数据传输服务，有效弥补了传统水下声学通信中带宽资源有限、空间选择性衰落严重及传输速率低等缺陷。然而，光脉冲在复杂的海洋环境中传输时，因光束受到海水严重的多重散射作用，光脉冲响应在时间上扩散，并因此引起符号间串扰。脉冲信号的时域扩展，给信号的正确检测带来困难，对水下光通信效果产生严重的影响。在水下无线光信道中，光脉冲响应被广泛用于描述光脉冲信号的时域扩展，目前大多数研究多采用将henyey-greenstein散射相函数与蒙特卡洛方法相结合的方式，来模拟水下无线光信道中的光脉冲响应。此方法计算量大，henyey-greenstein散射相函数在散射角小于20
°
和大于130
°
时与真实数据存在一定的偏差，且没有考虑水下无线光信道后向散射的影响。


技术实现要素：

3.为了更简单高效地模拟水下无线光信道中的光脉冲响应，本发明提供一种水下无线光信道光脉冲响应模拟方法，可以更简单高效地模拟出水下无线光信道中的光脉冲响应。
4.实现本发明目的的技术方案如下：
5.一种水下无线光信道光脉冲响应模拟方法，包括如下步骤：
6.s1，根据实际测量的海水参数计算出海水后向散射概率；
7.s2，根据后向散射概率计算出散射相函数表达式中的各个系数；
8.s3，根据散射相函数计算出散射角均方根；
9.s4，根据散射角均方根计算出水下无线光信道光脉冲传输时延；
10.s5，根据传输时延得到水下无线光信道光脉冲响应波形。
11.进一步地，s1中，实际测量的海水参数包括吸收系数a，前向散射系数b，后向散射系数bb和衰减系数c，海水参数测量不限制海域，不限制时间，不限制深度，不限制获取方式。
12.进一步地，s1中，海水后向散射概率b由前向散射系数b和后向散射系数bb建立联系获得，关系为
13.进一步地，s2中，散射相函数为two-term henyey-greenstein(简称tthg)函数，其各个系数为加权系数前向散射非对称因子g1和后向散射非对称因子g2，tthg函数为散射角θ的经验公式，表达式为：
[0014][0015]
其中
[0016][0017][0018]
式中，p
hg
(θ，g1)表示前向henyey-greenstein散射相函数，p
hg
(θ，g2)表示后向henyey-greenstein散射相函数。
[0019]
进一步地，s2中，根据经验公式建立方程组，通过步骤s1得到的海水后向散射概率b来求解方程组，获得tthg函数的各个系数，经验公式建立的方程组为：
[0020][0021][0022]
g2＝-3.061446 1.000568g
1-0.01826332g1 0.03643748g
12
。
[0023]
进一步地，s3中，散射角均方根θ0表示单次散射角θi(i＝1，2，3...)的均方根，θ0满足：d为微分运算符。
[0024]
进一步地，s4中，根据散射角均方根计算水下无线光信道光脉冲传输时延的过程为：将散射角均方根值带入光子小角度近似散射模型，得到光脉冲传输时延。
[0025]
进一步地，s4中，光子小角度近似散射模型为：
[0026][0027]
式中，tm表示脉冲光束在水下无线光信道的传输时延，z表示传输距离，n表示海水折射率，c表示真空中的光速，λ表示光学厚度，ω0表示单次散射反照率；
[0028]
进一步地，光学厚度λ通过海水衰减系数c和传输距离z建立联系获得，满足λ＝cz；
[0029]
进一步地，单次散射反照率ω0通过前向散射系数b和衰减系数c建立联系获得，满足ω0＝b/c；
[0030]
通过单个光子小角度近似散射模型来模拟脉冲光束在水下无线光信道的传输时延。
[0031]
进一步地，s5包括如下步骤：
[0032]
s5-1，将传输时延tm带入水下无线光信道光脉冲响应数学模型表达式中得到水下无线光信道光脉冲响应函数，水下无线光信道光脉冲响应数学模型表达式为：
[0033][0034]
式中，t为时间变量；
[0035]
s5-2，根据水下无线光信道光脉冲函数，利用绘图工具绘制水下无线光信道光脉
冲响应波形。
[0036]
与现有的技术相比，本发明公开的方案具有以下优点：
[0037]
本发明采用光子小角度近似散射模型与tthg散射相函数结合，在有效降低计算复杂度的同时，考虑后向散射对水下无线光信道光脉冲响应的影响，使结果尽可能接近实际情况。
附图说明
[0038]
图1为本发明一种水下无线光信道光脉冲响应模拟方法的流程图；
[0039]
图2为本发明实施例中光子小角度近似散射模型示意图；
[0040]
图3为本发明实施例中水下无线光信道光脉冲响应函数波形图。
具体实施方式
[0041]
下面通过结合附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0042]
参见图1，一种水下无线光信道光脉冲响应模拟方法，包括以下步骤：
[0043]
s1，根据实际测量的海水参数计算出海水后向散射概率；
[0044]
s2，根据后向散射概率计算出散射相函数表达式中的各个系数；
[0045]
s3，根据散射相函数计算出散射角均方根；
[0046]
s4，根据散射角均方根计算出水下无线光信道光脉冲传输时延；
[0047]
s5，根据传输时延得到水下无线光信道光脉冲响应波形。
[0048]
下面以模拟浑浊海水情况下光脉冲响应为例，进行详细说明：
[0049]
假设实际测量的浑浊海水参数为：吸收系数a＝0.295m-1
，前向散射系数b＝1.875m-1
，后向散射系数bb＝0.0076m-1
，衰减系数c＝2.17m-1
；
[0050]
(1)根据实际测量的海水参数计算出海水后向散射概率：海水后向散射概率b由前向散射系数b和后向散射系数bb建立联系获得，即
[0051]
(2)根据后向散射概率计算出散射相函数表达式中的各个系数：tthg函数为散射角θ的经验公式，具体表达式为：
[0052][0053]
其中
[0054][0055][0056]
其中，为加权系数，g1为前向散射非对称因子，g2为后向散射非对称因子，θ为散射角，p
hg
(θ，g1)为前向henyey-greenstein散射相函数，p
hg
(θ，g2)为后向henyey-greenstein散射相函数；
[0057]
加权系数前向散射非对称因子g1、后向散射非对称因子g2和海水后向散射概率b满足：
[0058][0059][0060]
g2＝-3.061446 1.000568g
1-0.01826332g1 0.03643748g
12
ꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0061]
联立式(4)、式(5)、式(6)为方程组，得到加权系数前向散射非对称因子g1≈0.9958，后向散射非对称因子g2≈0.7081，可得到tthg散射相函数的具体表达式为：
[0062][0063]
其中
[0064][0065][0066]
式(7)中，为加权系数，g1为前向散射非对称因子，g2为后向散射非对称因子，θ为散射角；
[0067]
(3)根据散射相函数计算出散射角均方根：散射角均方根θ0满足：
[0068][0069]
式中，θ为散射角，d为微分运算符，g1为前向散射非对称因子，g2为后向散射非对称因子，结合式(7)计算出散射角均方根θ0＝0.0203rad；
[0070]
(4)根据散射角均方根计算水下无线光信道光脉冲传输时延：将散射角均方根值带入光子小角度近似散射模型，得到光脉冲传输时延，光子小角度近似散射模型参见图2；在传输过程中，沿z轴传输的光子会与水分子及其他粒子发生碰撞，运动过程如图2所示：
[0071][0072]
式中，r为光子方向，d为微分运算符，为r在x轴的分量，为r在y轴的分量，为r在z轴的分量，对式(9)做数学变换：
[0073][0074]
式中，表示r在x轴和y轴组成平面上的投影，z表示传输距离，把光子散射的投影角近似为：
[0075][0076]
式中光子单次散射反照率ω0＝b/c，λ＝cz为海水的光学厚度,θ0为单次散射角θi均方根，b为前向散射系数，c为衰减系数，由于的值较小，把r在x轴和y轴组成平面上的投影近似为：
[0077][0078]
把式(10)变换为：
[0079][0080]
d为微分运算符，对式(13)左右积分得到：
[0081][0082]
脉冲光束在水下无线光信道的传输时延为进一步可得到：
[0083][0084]
式中，z表示传输距离，n表示海水折射率，c表示真空中的光速；假设传输距离z＝10m，海水折射率n＝1.33，真空中的光速c＝3
×
108m/s，并将θ0＝0.0203rad带入式(15)得到：tm＝8.4293ns；
[0085]
(5)根据传输时延得到水下无线光信道光脉冲响应波形：水下无线光信道光脉冲响应数学模型表达式为：
[0086][0087]
式中，t为时间变量，把tm＝8.4293带入式(16)得到水下无线光信道光脉冲响应函数：
[0088][0089]
式中，t为时间变量，利用绘图工具，把水下无线光信道光脉冲响应函数绘制成以t为横坐标，f(t)为纵坐标如图3所示的水下无线光信道光脉冲响应波形。
[0090]
以上公开的本发明的优选实施例，只是帮助阐述本发明，不限制本发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。