[發(fā)明專利]一種包含氣泡散射的水下無線光通信信道建模方法及系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202211318176.2
• 申請日: 2022-10-26
• 公開（公告）號: CN116073926A
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 賀鋒濤;楊航宇;寇琳琳;張建磊;李碧麗
• 申請（專利權(quán)）人: 西安郵電大學(xué);西安精密機(jī)械研究所（中國船舶重工集團(tuán)公司第七0五研究所）
• 主分類號: H04B17/391
• 分類號: H04B17/391;H04B10/70;H04B13/02;H04B7/22
• 代理公司: 北京金智普華知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11401
• 代理人: 張曉博

1.一種包含氣泡散射的水下無線光通信信道建模方法，其特征在于，所述包含氣泡散射的水下無線光通信信道建模方法包括：

S1，基于單氣泡的散射效率因子、氣泡群的衰減系數(shù)和散射相函數(shù)計(jì)算復(fù)合信道的散射特性參數(shù)；

S2，設(shè)定仿真所需參數(shù)并確定光子初始坐標(biāo)以及運(yùn)動角度；

S3，模擬光子的散射過程，計(jì)算光子每次碰撞后的位置，并判斷光子是否到達(dá)接收面；到達(dá)接收面后，儲存其位置、時間以及權(quán)重；

S4：于所有光子的散射過程結(jié)束后，根據(jù)儲存數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)所有光子到達(dá)接收面的傳輸時間及權(quán)重，得到復(fù)合信道的信號脈沖響應(yīng)；統(tǒng)計(jì)光子的權(quán)重及位置得到接收面處的光斑及光斑的能量分布；累加所有到達(dá)接收面的光子的權(quán)重并乘以單個光子的功率得到接收功率。

2.如權(quán)利要求1所述包含氣泡散射的水下無線光通信信道建模方法，其特征在于，所述S1中計(jì)算單氣泡的散射效率因子包括：

根據(jù)Mie散射理論，氣泡的散射效率因子Q_sca如下所示：

其中，a_n和b_n為Mie散射系數(shù)，n為階數(shù)，x為氣泡的尺寸因子，x＝2πrn₀/λ，r為氣泡半徑，n₀為海水的折射率，λ為入射光波長；m為相對折射率，即氣泡折射率和海水折射率的比值；

所述Mie散射系數(shù)a_n和b_n定義為：

其中，ψ_n(Z)和ξ_n(Z)是Ricatti-Bessel函數(shù)，由如下遞推公式計(jì)算：

所述階數(shù)n的截止階數(shù)n_stop為：

3.如權(quán)利要求1所述包含氣泡散射的水下無線光通信信道建模方法，其特征在于，所述S1中氣泡群的散射系數(shù)和散射相函數(shù)包括：

所述氣泡群的散射系數(shù)b_bub(λ)為：

其中，β_bub(θ)為氣泡群的體散射函數(shù)，公式為：

其中，[r_min,r_max]為氣泡群的尺寸范圍；Q_β(θ,r)是尺寸為r的氣泡在θ方向上的散射效率因子；n(r)為氣泡的尺寸分布，公式為：

n(r)＝N₀p(r)

其中，N₀為單位體積水中的總氣泡數(shù)密度，單位為m^-3；

氣泡的半徑分布p(r)使用Junge譜定義，公式為：

其中，dN(r)為氣溶膠顆粒物半徑在r到r+dr范圍內(nèi)的氣泡密度，A和v系數(shù)是粒徑分布擬合參數(shù)，A是粒子總質(zhì)量及物理特性相關(guān)的常數(shù)，v是半徑分布曲率的斜率；

所述氣泡的散射相函數(shù)為歸一化的體散射函數(shù)，公式為：

所述S1中計(jì)算復(fù)合信道的衰減系數(shù)和散射相函數(shù)包括：

所述復(fù)合信道的衰減系數(shù)C(λ)為所述氣泡群的散射系數(shù)b_bub(λ)和粒子的衰減系數(shù)c(λ)之和，計(jì)算公式為：

C(λ)＝b_bub(λ)+c(λ)＝b_bub(λ)+a(λ)+b(λ)

其中，a(λ)、b(λ)分別為粒子的吸收系數(shù)和散射系數(shù)；

所述復(fù)合信道的散射相函數(shù)為所述氣泡群的散射相函數(shù)與粒子散射相函數(shù)的加權(quán)，公式為：

所述粒子散射相函數(shù)由HG散射相函數(shù)表示，計(jì)算公式如下：

其中，g為非對稱因子，通常取g＝0.924。