潛艇激光通信的數值模擬

吳方平++章曦++楊軍++苗仁德++馬書云++劉翠翠

摘 要：通過數值模擬，研究了潛艇海洋激光通信在風速一定和潛艇深度一定時的特點。模擬結果顯示，潛艇深度對激光通信影響較大，風速對激光通信影響不大。

關鍵詞：潛艇通信 激光通信 數值模擬

中圖分類號：TN958.98 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（a）-0081-01

激光聲作為水下聲源的一種新的激發模式，具有高聲強、窄脈沖、寬頻譜和可遠距離激發等優點，激光聲理論及應用研究對海洋開發及國防具有重要意義[1]。激光脈沖受大氣海洋信道中介質粒子的多重散射，導致信號波形產生多徑時延擴展和幅度隨機衰落，因此這種信道是非常復雜的隨機參量信道[2]。本文利用數值模擬方法，模擬光在渾濁介質中傳播的整個物理過程。

1 潛艇激光通信的數值模擬

潛艇激光通信的數值模擬包括光子束的發射，光子束與水體的相互作用（吸收與散射），光束出水共三個步驟。

在蒙特卡羅方法的源抽樣處引入了高斯分布抽樣模型，使發出光子的統計特性滿足高斯光束的特性。設水體的單次散射率為，取區間內均勻分布的隨機數，如果，則認為光子被吸收，終止對該光子的跟蹤，反之則認為光子被散射。光子發生散射后，新的傳播方向由散射相函數決定。

光束出水時經歷海氣界面的三維折射。海面的法線方向具有隨機性，但也具有一定的規律性，Charles Cox等給出了海浪在一定風速下俯仰角的經驗歸一化概率密度公式。由此可以選用抽樣法得到俯仰角的值，從而判定是否發生全反射及確定光束的出水方向。

2 模擬結果及分析

模擬發出的光子總數為100萬個，潛艇深度MD分別取5 m，10 m，15 m，20 m，海面風速分別為v=5 m/s，10 m/s，15 m/s， 30 m/s，采用抽樣法進行數值模擬。

2.1 潛艇深度對激光通信的影響分析

風速取v=15 m/s，潛艇深度MD=5 m，10 m，15 m，20 m時，接收光子數目和接收光子總權值，吸收光子數和全反射光子數的模擬結果如表1所示。

由表1可知，在潛艇深度為5 m時，6.46%的光子被接收到，該比例還是比較理想的，平均每個被接收到的光子的權值為0.39，吸收的光子占85.56%，全反射的光子占7.96%，其他比例的光子為出海面但不在接收視場內。在潛艇深度為10 m時，1.00%的光子被接收到，平均每個被接收到的光子的權值為0.25，吸收的光子占97.75%，全反射的光子占1.23%，之所以吸收的光子和全反射的光子均大大減少，是因為潛艇深度的增加使被吸收的光子數極大的增加了。在潛艇深度為15 m時，0.15%的光子被接收到，平均每個被接收到的光子的權值為0.16，吸收的光子占99.68%，全反射的光子占0.18%。在潛艇深度為20m時，0.02%的光子被接收到，平均每個被接收到的光子的權值為0.10， 吸收的光子占99.95%， 全反射的光子占0.03%。

綜合上述分析，可以發現，潛艇深度對激光通信影響還是比較大的，潛艇深度每增加5 m，接收光子總權值約下降為增加深度前的10%，因此潛艇通信中使用的激光器功率的選擇應主要參考潛艇深度。

2.2 風速對激光通信的影響

取潛艇深度MD=10 m，風速v=5 m/s， 10 m/s，15 m/s，30 m/s時，接收光子數目和接收光子總權值，吸收光子數和全反射光子數的模擬結果如表2所示。

由表2可知，風速為5 m時，0.99%的光子被接收到，平均每個被接收到的光子的權值為0.25，吸收的光子占97.78%，全反射的光子占1.22%。風速為5 m/s時，0.99%的光子被接收到，平均每個被接收到的光子的權值為0.25，吸收的光子占97.78%， 全反射的光子占1.22%。風速為15 m/s時，1.01%的光子被接收到，平均每個被接收到的光子的權值為0.25，吸收的光子占97.75%，全反射的光子占1.23%。風速為20 m/s時，0.99%的光子被接收到，平均每個被接收到的光子的權值為0.25，吸收的光子占97.77%，全反射的光子占1.23%。

對比4組數據，我們發現當潛艇深度一定時，風速對激光通信影響不大，接收光子數目和接收光子總權值，吸收光子數和全反射光子數這四個物理量均未有明顯變化，這說明相比于潛艇深度，風速的影響不占主導地位，這可由海浪運動的隨機性來解釋。

3 結語

通過數值模擬，我們發現潛艇深度的增加將使接收光子數銳減，潛艇深度每增加5 m，接收光子數均約下降為增加深度前的0.15，而接收光子的平均權值約下降為增加深度前的0.64，接收光子總權值約下降為增加深度前的10%，大量光子的隨機運動仍舊遵循統計規律。另一方面，模擬結果顯示，風速對激光通信的影響較小，相比于潛艇深度，風速的影響不占主導地位。

參考文獻

[1] 章曦，李配軍，吳方平，等.基于蒙特卡羅方法的波動水面對激光水下目標探測的影響[J].中國激光，2012，39（7）.

[2] 梁波，朱海，陳衛標.大氣到海洋激光通信信道仿真[J].光學學報，2007，27（7）：1166-1172.endprint

摘 要：通過數值模擬，研究了潛艇海洋激光通信在風速一定和潛艇深度一定時的特點。模擬結果顯示，潛艇深度對激光通信影響較大，風速對激光通信影響不大。

關鍵詞：潛艇通信 激光通信 數值模擬

中圖分類號：TN958.98 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（a）-0081-01

激光聲作為水下聲源的一種新的激發模式，具有高聲強、窄脈沖、寬頻譜和可遠距離激發等優點，激光聲理論及應用研究對海洋開發及國防具有重要意義[1]。激光脈沖受大氣海洋信道中介質粒子的多重散射，導致信號波形產生多徑時延擴展和幅度隨機衰落，因此這種信道是非常復雜的隨機參量信道[2]。本文利用數值模擬方法，模擬光在渾濁介質中傳播的整個物理過程。

1 潛艇激光通信的數值模擬

潛艇激光通信的數值模擬包括光子束的發射，光子束與水體的相互作用（吸收與散射），光束出水共三個步驟。

在蒙特卡羅方法的源抽樣處引入了高斯分布抽樣模型，使發出光子的統計特性滿足高斯光束的特性。設水體的單次散射率為，取區間內均勻分布的隨機數，如果，則認為光子被吸收，終止對該光子的跟蹤，反之則認為光子被散射。光子發生散射后，新的傳播方向由散射相函數決定。

光束出水時經歷海氣界面的三維折射。海面的法線方向具有隨機性，但也具有一定的規律性，Charles Cox等給出了海浪在一定風速下俯仰角的經驗歸一化概率密度公式。由此可以選用抽樣法得到俯仰角的值，從而判定是否發生全反射及確定光束的出水方向。

2 模擬結果及分析

模擬發出的光子總數為100萬個，潛艇深度MD分別取5 m，10 m，15 m，20 m，海面風速分別為v=5 m/s，10 m/s，15 m/s， 30 m/s，采用抽樣法進行數值模擬。

2.1 潛艇深度對激光通信的影響分析

風速取v=15 m/s，潛艇深度MD=5 m，10 m，15 m，20 m時，接收光子數目和接收光子總權值，吸收光子數和全反射光子數的模擬結果如表1所示。

由表1可知，在潛艇深度為5 m時，6.46%的光子被接收到，該比例還是比較理想的，平均每個被接收到的光子的權值為0.39，吸收的光子占85.56%，全反射的光子占7.96%，其他比例的光子為出海面但不在接收視場內。在潛艇深度為10 m時，1.00%的光子被接收到，平均每個被接收到的光子的權值為0.25，吸收的光子占97.75%，全反射的光子占1.23%，之所以吸收的光子和全反射的光子均大大減少，是因為潛艇深度的增加使被吸收的光子數極大的增加了。在潛艇深度為15 m時，0.15%的光子被接收到，平均每個被接收到的光子的權值為0.16，吸收的光子占99.68%，全反射的光子占0.18%。在潛艇深度為20m時，0.02%的光子被接收到，平均每個被接收到的光子的權值為0.10， 吸收的光子占99.95%， 全反射的光子占0.03%。

綜合上述分析，可以發現，潛艇深度對激光通信影響還是比較大的，潛艇深度每增加5 m，接收光子總權值約下降為增加深度前的10%，因此潛艇通信中使用的激光器功率的選擇應主要參考潛艇深度。

2.2 風速對激光通信的影響

取潛艇深度MD=10 m，風速v=5 m/s， 10 m/s，15 m/s，30 m/s時，接收光子數目和接收光子總權值，吸收光子數和全反射光子數的模擬結果如表2所示。

由表2可知，風速為5 m時，0.99%的光子被接收到，平均每個被接收到的光子的權值為0.25，吸收的光子占97.78%，全反射的光子占1.22%。風速為5 m/s時，0.99%的光子被接收到，平均每個被接收到的光子的權值為0.25，吸收的光子占97.78%， 全反射的光子占1.22%。風速為15 m/s時，1.01%的光子被接收到，平均每個被接收到的光子的權值為0.25，吸收的光子占97.75%，全反射的光子占1.23%。風速為20 m/s時，0.99%的光子被接收到，平均每個被接收到的光子的權值為0.25，吸收的光子占97.77%，全反射的光子占1.23%。

對比4組數據，我們發現當潛艇深度一定時，風速對激光通信影響不大，接收光子數目和接收光子總權值，吸收光子數和全反射光子數這四個物理量均未有明顯變化，這說明相比于潛艇深度，風速的影響不占主導地位，這可由海浪運動的隨機性來解釋。

3 結語

通過數值模擬，我們發現潛艇深度的增加將使接收光子數銳減，潛艇深度每增加5 m，接收光子數均約下降為增加深度前的0.15，而接收光子的平均權值約下降為增加深度前的0.64，接收光子總權值約下降為增加深度前的10%，大量光子的隨機運動仍舊遵循統計規律。另一方面，模擬結果顯示，風速對激光通信的影響較小，相比于潛艇深度，風速的影響不占主導地位。

參考文獻

[1] 章曦，李配軍，吳方平，等.基于蒙特卡羅方法的波動水面對激光水下目標探測的影響[J].中國激光，2012，39（7）.

[2] 梁波，朱海，陳衛標.大氣到海洋激光通信信道仿真[J].光學學報，2007，27（7）：1166-1172.endprint

摘 要：通過數值模擬，研究了潛艇海洋激光通信在風速一定和潛艇深度一定時的特點。模擬結果顯示，潛艇深度對激光通信影響較大，風速對激光通信影響不大。

關鍵詞：潛艇通信 激光通信 數值模擬

中圖分類號：TN958.98 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（a）-0081-01

激光聲作為水下聲源的一種新的激發模式，具有高聲強、窄脈沖、寬頻譜和可遠距離激發等優點，激光聲理論及應用研究對海洋開發及國防具有重要意義[1]。激光脈沖受大氣海洋信道中介質粒子的多重散射，導致信號波形產生多徑時延擴展和幅度隨機衰落，因此這種信道是非常復雜的隨機參量信道[2]。本文利用數值模擬方法，模擬光在渾濁介質中傳播的整個物理過程。

1 潛艇激光通信的數值模擬

潛艇激光通信的數值模擬包括光子束的發射，光子束與水體的相互作用（吸收與散射），光束出水共三個步驟。

在蒙特卡羅方法的源抽樣處引入了高斯分布抽樣模型，使發出光子的統計特性滿足高斯光束的特性。設水體的單次散射率為，取區間內均勻分布的隨機數，如果，則認為光子被吸收，終止對該光子的跟蹤，反之則認為光子被散射。光子發生散射后，新的傳播方向由散射相函數決定。

光束出水時經歷海氣界面的三維折射。海面的法線方向具有隨機性，但也具有一定的規律性，Charles Cox等給出了海浪在一定風速下俯仰角的經驗歸一化概率密度公式。由此可以選用抽樣法得到俯仰角的值，從而判定是否發生全反射及確定光束的出水方向。

2 模擬結果及分析

模擬發出的光子總數為100萬個，潛艇深度MD分別取5 m，10 m，15 m，20 m，海面風速分別為v=5 m/s，10 m/s，15 m/s， 30 m/s，采用抽樣法進行數值模擬。

2.1 潛艇深度對激光通信的影響分析

風速取v=15 m/s，潛艇深度MD=5 m，10 m，15 m，20 m時，接收光子數目和接收光子總權值，吸收光子數和全反射光子數的模擬結果如表1所示。

由表1可知，在潛艇深度為5 m時，6.46%的光子被接收到，該比例還是比較理想的，平均每個被接收到的光子的權值為0.39，吸收的光子占85.56%，全反射的光子占7.96%，其他比例的光子為出海面但不在接收視場內。在潛艇深度為10 m時，1.00%的光子被接收到，平均每個被接收到的光子的權值為0.25，吸收的光子占97.75%，全反射的光子占1.23%，之所以吸收的光子和全反射的光子均大大減少，是因為潛艇深度的增加使被吸收的光子數極大的增加了。在潛艇深度為15 m時，0.15%的光子被接收到，平均每個被接收到的光子的權值為0.16，吸收的光子占99.68%，全反射的光子占0.18%。在潛艇深度為20m時，0.02%的光子被接收到，平均每個被接收到的光子的權值為0.10， 吸收的光子占99.95%， 全反射的光子占0.03%。

綜合上述分析，可以發現，潛艇深度對激光通信影響還是比較大的，潛艇深度每增加5 m，接收光子總權值約下降為增加深度前的10%，因此潛艇通信中使用的激光器功率的選擇應主要參考潛艇深度。

2.2 風速對激光通信的影響

取潛艇深度MD=10 m，風速v=5 m/s， 10 m/s，15 m/s，30 m/s時，接收光子數目和接收光子總權值，吸收光子數和全反射光子數的模擬結果如表2所示。

由表2可知，風速為5 m時，0.99%的光子被接收到，平均每個被接收到的光子的權值為0.25，吸收的光子占97.78%，全反射的光子占1.22%。風速為5 m/s時，0.99%的光子被接收到，平均每個被接收到的光子的權值為0.25，吸收的光子占97.78%， 全反射的光子占1.22%。風速為15 m/s時，1.01%的光子被接收到，平均每個被接收到的光子的權值為0.25，吸收的光子占97.75%，全反射的光子占1.23%。風速為20 m/s時，0.99%的光子被接收到，平均每個被接收到的光子的權值為0.25，吸收的光子占97.77%，全反射的光子占1.23%。

對比4組數據，我們發現當潛艇深度一定時，風速對激光通信影響不大，接收光子數目和接收光子總權值，吸收光子數和全反射光子數這四個物理量均未有明顯變化，這說明相比于潛艇深度，風速的影響不占主導地位，這可由海浪運動的隨機性來解釋。

3 結語

通過數值模擬，我們發現潛艇深度的增加將使接收光子數銳減，潛艇深度每增加5 m，接收光子數均約下降為增加深度前的0.15，而接收光子的平均權值約下降為增加深度前的0.64，接收光子總權值約下降為增加深度前的10%，大量光子的隨機運動仍舊遵循統計規律。另一方面，模擬結果顯示，風速對激光通信的影響較小，相比于潛艇深度，風速的影響不占主導地位。

參考文獻

[1] 章曦，李配軍，吳方平，等.基于蒙特卡羅方法的波動水面對激光水下目標探測的影響[J].中國激光，2012，39（7）.

[2] 梁波，朱海，陳衛標.大氣到海洋激光通信信道仿真[J].光學學報，2007，27（7）：1166-1172.endprint