[發明專利]一種基于相位屏的水下無線光傳輸蒙特卡洛仿真方法

有效

• 申請號: 202010350908.0
• 申請日: 2020-04-28
• 公開（公告）號: CN111555822B
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發明（設計）人: 張建磊;楊祎;寇琳琳;賀鋒濤;段作梁;陸蓉;王燁
• 申請（專利權）人: 西安郵電大學
• 主分類號: H04B10/70
• 分類號: H04B10/70;H04B13/02;H04B17/00
• 代理公司: 西安永生專利代理有限責任公司 61201
• 代理人: 何彩霞

1.一種基于相位屏的水下無線光傳輸蒙特卡洛仿真方法,其特征在于它是由下述步驟組成：

A、仿真系統初始化；

以Z軸正方向為光傳輸方向，Z＝0為光源所在平面，設置傳輸距離為10～200m，波長λ為400nm～600nm；光子數N為1000～10000000；高斯光束的束寬ω₀為0.5～50mm，Δz為相位屏在Z軸上的間隔，取值范圍0.5～10m，相位屏的大小為0.5～3m×0.5～3m；方位角為光子散射方向在XOY面上的投影與X軸正半軸的夾角；散射角θ為光子傳播方向與X軸正半軸之間夾角；

設定水體吸收系數a為0.1～3/m,散射系數b為0.01～3/m，衰減系數c＝a+b，海水信道的單次散射率T_sca為散射系數b與衰減系數c之比，光子的權重為1；

B.對高斯光源進行采樣，確定光子的初始坐標和初始方向，采樣方法如下：

(B1)生成取值范圍為(0,1)的隨機數r₁和r₂；

(B2)確定初始散射角

(B3)確定方位角

(B4)確定徑向距離

(B5)確定光子初始坐標(x₀,y₀,z₀)為

(B6)確定光子初始方向(μ_x,μ_y,μ_z)為

(B7)重復B1～B6，即可生成所有光子的初始坐標與初始方向；

C、生成相位屏，具體步驟如下：

(C1)選定海洋功率譜φ(κ_x,κ_y)：

其中，κ_x和κ_y分別是空間頻率在x方向和y方向上的分量，ε為單位體積海水的能動耗散功率；χ_T為均方溫度耗散率，ω為溫度導致的海洋湍流與鹽度導致的海洋湍流的比值，η為Kolmogorov尺度；其中，A_T＝1.863×10^-2，A_s＝1.9×10^-4，A_TS＝9.41×10^-3；

(C2)確定相位屏譜

其中，k＝2π/λ為光束的波數，Δz為相位屏在Z軸上的間隔；

(C3)利用對高斯隨機復矩陣h(κ_x,κ_y)進行濾波和傅里葉變換，即可得到相位屏

其中，C為控制相位屏方差的常數因子，其中，Δκ_x、Δκ_y為取樣間隔；

(C4)重復C1～C3，即可生成全部相位屏；

D、計算光子的隨機步長d：

其中，r₃是范圍為(0,1)的隨機數；

E、根據光子坐標(x,y,z)、光子方向(μ_x,μ_y,μ_z)與隨機步長d，判斷光子是否與相位屏相交，是否達到接收面；

F、若光子不與相位屏相交，未到達接收面，則

(F1)更新光子的權重W_i+1：

W_i+1＝W_i·T_sca

其中，W_i+1為散射i+1次后光子的權重，W_i為前i次光子權重損失之和，T_sca為海水信道的單次散射率；

(F2)根據HG散射相函數計算散射角θ與方位角

其中，g為非對稱因子,取g＝0.924，r₄和r₅是取值范圍為(0,1)的隨機數；

(F3)更新光子的方向

其中，

(F4)更新光子的坐標(x_i+1,y_i+1,z_i+1)：

G、若光子與相位屏相交，未到達接收面，則

(G1)計算光子與相位屏相交的坐標(x_p,y_p,x_p)為：

其中，(x_i,y_i,z_i)和(μ_xi,μ_yi,μ_zi)分別為穿過相位屏前光子的坐標與方向，z_phase是相位屏在Z軸上的位置；

(G2)若光子在穿過相位屏時，傳輸方向發生改變，根據廣義折射定律，更新光子的方向(m_xap,m_yap,m_zap)：

其中，k＝2π/λ為光束的波數；

(G3)光子通過相位屏，下一次散射發生前光子的坐標(x_i+1,y_i+1,z_i+1)為：

(G4)根據HG散射相函數計算散射角θ與方位角

其中，g為非對稱因子,取g＝0.924，r₄和r₅是取值范圍為(0,1)的隨機數；

(G5)更新光子的方向

其中，

H、循環執行步驟D～G，直到光子與接收面相交，記錄光子與接收面相交的位置坐標，記錄光子的權重。