[發明專利]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

在審

• 申請號: 202211318176.2
• 申請日: 2022-10-26
• 公開（公告）號: CN116073926A
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發明（設計）人: 賀鋒濤;楊航宇;寇琳琳;張建磊;李碧麗
• 申請（專利權）人: 西安郵電大學;西安精密機械研究所（中國船舶重工集團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權代理有限公司 11401
• 代理人: 張曉博

本發明屬于水下無線光通信技術領域，公開了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，設定仿真所需參數并確定光子初始坐標以及運動角度；模擬光子的散射過程，計算光子每次碰撞后的位置，并判斷光子是否到達接收面；到達接收面后，儲存其坐標、傳輸時間以及權重；于所有光子的散射過程結束后，通過統計儲存的光子坐標、傳輸時間以及權重得到接收端處光斑、信道脈沖響應以及接收功率。本發明公開的包含氣泡散射的水下無線光通信信道散射建模方法，較為準確地模擬海洋水體中激光被粒子及氣泡散射的情況，為水下無線光通信信道建模和系統設計提供一定的參考。

技術領域

本發明屬于水下無線光通信技術領域，尤其涉及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。

背景技術

目前，水下無線光通信(UWOC)是一種新興的水下無線通信技術，具有高傳輸帶寬、高速率、高安全性和低成本的優點。然而海水中存在的各種粒子(浮游植物、懸浮沉積物、碎屑和溶解有機物)會對UWOC的性能產生一定的影響，主要表現為吸收和散射導致的傳輸光束偏移和光斑擴展。另外，海水中存在的氣泡也會與光束相互作用，令光束擴散到時空域，從而偏離期望的路徑，造成UWOC系統性能的降低。

盡管一些光束在海洋信道中的散射衰減模型已經被提出，但大部分衰減模型都只考慮了粒子的吸收散射，并沒有考慮氣泡群對UWOC的影響。因此，建立一種耦合氣泡群散射和粒子吸收散射的復合信道模型具用一定的應用價值。

通過上述分析，現有技術存在的問題及缺陷為：

(1)現有的UWOC技術的性能易受到海水中存在的各種粒子的干擾，粒子的吸收和散射導致傳輸光束偏移和光斑擴展。

(2)海水中存在的氣泡也會與光束相互作用，令光束擴散到時空域，從而偏離期望的路徑，造成UWOC系統性能的降低。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供了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。

本發明是這樣實現的，一種包含氣泡散射的水下無線光通信信道建模方法，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、氣泡群的衰減系數和散射相函數計算復合信道的散射特性參數；

S2，根據光源類型確定光子初始坐標以及運動角度；

S3，設定仿真所需參數，模擬光子的散射過程：計算光子每次碰撞后的位置，并判斷光子是否到達接收面；到達接收面后，儲存其位置、時間以及權重；

S4：于所有光子的散射過程結束后，根據儲存數據，統計所有光子到達接收面的傳輸時間及權重，得到復合信道的信號脈沖響應；統計光子的權重及位置得到接收面處的光斑及光斑的能量分布；累加所有到達接收面的光子的權重并乘以單個光子的功率得到接收功率。

通過以上步驟，即可建立本發明所述的包含氣泡散射的水下無線光通信信道模型。即輸入光源參數和信道參數，輸出接收端的接收端處光斑、信道脈沖響應以及接收功率。

進一步，所述S1中計算單氣泡的散射效率因子包括：

根據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，n為階數，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。

所述Mie散射系數a_n和b_n定義為：

m為相對折射率，即氣泡折射率和海水折射率的比值。