海水激光通信信道的特性仿真與分析

王 菲，趙 彥（西安交通工程學院 中興通信學院，陜西 西安 710300）

0 引 言

在水下無線光通信中，藍綠激光對潛通信具有通信數據率高和不影響潛艇隱蔽性和機動性的優點，是一種較理想的潛通信技術。而激光脈沖在水下傳輸時，受海洋信道中微粒具有的多重散射特性，將發生嚴重的散射現象，而這種散射現象引起的多路徑效應會導致激光脈沖發生時域展寬，從而使信號波形發生變化[1-3]。本文通過蒙特卡洛方模擬法描述隨機介質在海水中的光傳輸特性。

由于海水的復雜性，海水中含有很多雜質，目前的研究中關于水下激光通信沒有具體的傳輸模型，且仿真模型較為簡單。2013年，吳王杰[4]等人通過蒙特卡洛方法作數值模擬得出了接收面上接收到的光子時間和歸一化光子數的分布規律。2015年，胡秀寒[5]等人為快速評估水下激光通信系統的最大通信距離，提出了一種半解析方法。本文通過分析海水激光的通信特性，采用蒙特卡洛法仿真分析了激光在海水中的傳輸特性，建立了傳輸模型，對激光信號經過海水信道后的能量研究具有重要意義。

1 海水信道激光傳輸特性

海水是一個非常復雜的系統，含有溶解物質、懸浮體和各式各樣的活性有機體[6]。目前的研究對海水成分的分類還不統一，一般將海水所含的成分分為溶解的有機物和懸浮微粒，其中主要將懸浮微粒分為浮游植物和非色素懸浮微粒兩種類型。

由于懸浮體和水體存在的不均勻性，使得光在傳輸過程中發生強烈的散射和吸收，從而導致衰減。因此，海水的光學特性與純海水、溶解物質和懸浮體三種因素有關[7-8]。其中，海水的總衰減系數c(λ,chl,D)為：

式中，cw(λ)表示海水水分子的衰減系數；cf(λ,chl)表示浮游植物衰減系數；chl表示浮游植物中葉綠素a濃度；c1(λ,D)表示非色素懸浮微粒的衰減系數，其中D表示非色素懸浮微粒的濃度；ch(λ)代表黃色物質的衰減系數。

海水中的激光傳輸功率表達式為：

式中Pt是發射光功率，Pr是接收光功率，c(λ)為海水總衰減系數，d為水下通信距離，ηt為發射效率，ηr表示接收效率，η表示其他的附加效應影響。

2 蒙特卡洛仿真原理及方法

一般研究光在海水中的傳輸問題時，會根據光的粒子性將激光束看成是由很多個光子組成的光子束，這樣光在海水中的傳輸問題就轉化成光子在海水中的傳輸問題。這是由于海水中微粒的分布是隨機的，所以光子在海水中作隨機運動時，會與海水中的微粒發生隨機碰撞現象。因此，光子在海水中的傳輸規律可以利用眾多光子的隨機運動統計來體現。這也是利用蒙特卡洛模擬法來研究光在海水中傳輸特性的重要原因。根據蒙特卡洛模擬仿真過程的分析與研究，得到本文的蒙特卡洛模擬仿真流程圖，如圖1所示。

圖1為本文的仿真流程圖。本次仿真是對光子的運動方向uz和傳輸距離z進行判斷。在本次仿真中，當光子的運動方向uz≤0.9時，停止對這個光子的追蹤，重新開始對下一個光子的追蹤；當此個光子的傳輸方向的余弦uz≥0時，再判斷此光子是否到達接收面，即對此次光子的傳輸距離z進行判斷。

3 蒙特卡洛仿真結果及分析

圖1 蒙特卡洛仿真流程圖

本次仿真選取的傳輸距離為1 m、2 m和3 m三種情況。當傳輸距離為1 m時，若傳輸距離z≤1 m，即光子沒有到達接收面，此光子繼續進行碰撞，直至光子到達接收面，即傳輸距離z≥1 m。然后，對下一個光子進行追蹤，使其滿足以上兩個條件，直至所有的光子追蹤完畢。最后，對這些光子的位置坐標和權重進行統計計算，仿真得到所有光子的位置和接收光功率的關系圖。

（1）當海水中的葉綠素濃度chl=0.3 mg/m3、非色素懸浮粒子的濃度D=0.8 mg/L、傳輸距離為1 m時，發射端光功率Pt不同時，光子位置與接收功率的關系如圖2所示。

由仿真圖2可知，在海水介質濃度和傳輸距離一定的情況下，隨著發射端光功率的增大，接收端光功率也隨著增大。

（2）當激光的發射功率Pt=-23 dBm、海水中的葉綠素濃度chl=0.3 mg/m3、非色素懸浮粒子的濃度D=0.8 mg/L時，傳輸距離不同時，光子位置與接收光功率的關系如圖3所示。

由仿真圖3可知，在發射光功率和海水介質濃度一定的情況下，隨著傳輸距離的增大，光子在海水中的散射性增強，接收光功率隨著衰減。

圖2 不同發射功率時光子位置與接收功率的關系圖

（3）當激光的發射功率Pt=-40 dBm、海水中的葉綠素濃度chl=5 mg/m3、非色素懸浮粒子濃度D=1 mg/L時，3 dB光斑半徑與不同傳輸距離關系圖以及接收光束截面中心位置光功率與傳輸距離的關系如圖4和圖5所示。

圖4（a）是選取傳輸距離1～2.4 m時得到的3 dB光斑半徑展寬離散圖，然后經過擬合得到圖4（b）。可知，隨著傳輸距離的增加，3 dB光斑半徑線性展寬，得到3 dB光斑半徑展寬系數為4 mm/m。

圖3 不同傳輸距離光子位置與接收功率的關系圖

圖4 傳輸距離與3 dB光斑半徑展寬擬合

圖5 （a）是選取傳輸距離為1～3 m時，得到的接收光束截面中心位置光功率的離散圖，經過擬合得到圖5（b）。可知，接收光束截面中心位置光功率線性減小，得到海水衰減系數為-2.85 dBm/m。

4 結 論

圖5 傳輸距離與接收光束截面中心位置光功率擬合

本文通過分析530 nm激光在海水中的衰減特性，建立了海水激光傳輸模型，并對激光在海水中的傳輸特性進行了蒙特卡洛仿真，在特定條件下分別得出了接收光束截面中心位置光功率和3 dB光斑半徑展寬與傳輸距離的關系，為將來水下無線光通信系統設計提供了有價值的參考數據。