CN102638308A - 一种水下光传输特性的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下光传输特性的分析方法，其特征在于包括：1：对水体沿深度方向进行分层，获取不同层相应的吸收系数值和散射系数值，根据每一层的吸收系数值和散射系数值计算得到相应层的漫射衰减系数；2：根据每一层的漫射衰减系数，计算每一层的透过率，将每一层的透过率相乘，得到水体通信信道的整体透过率，之后采用截断误差对该整体透过率进行修正，得到修正后的整体透过率；3：根据水体的光衰减情况，输出水体通信信道传输特性。本发明的水下光传输特性的分析方法利用了绿叶素浓度的垂直分布模型实现对光在水中通信信道的传输特性的分析，相对于现有的衰减系数模型，由于无需通过实验测出不同深度下的衰减系数，方法简便，易于应用。

Description

一种水下光传输特性的分析方法

技术领域

本发明属于激光通信领域，特别是一种水下光传输特性的分析方法。

背景技术

地球上百分之七十的面积都被海水覆盖着，在海上活跃着大量的民用船只和进行海战的舰船、潜艇等。随着现代高新技术的发展，水下捕捞、探测、控制等的需要，逐渐形成了水下通信这一个特殊的应用领域。传统的通信手段，如无线电波通信、水声通信等已经无法满足水下通信的需求，成了限制水下通信发展的技术瓶颈。与传统的通信技术相比，光学通信技术可以克服传统通信的带宽窄、受环境影响大、可适用的载波频率低、传输的时延大等缺陷。例如，空中飞行器可以利用激光作为载波工具而向水下一定深度处的潜艇发送通信数据。

然而由于光在水中的衰减很严重，因而有必要预先对光在水中传输的通信信号进行分析。目前，关于光在海水介质中传输的研究一般有三种方法：分析方法、实验方法和数值模拟方法，其中的分析方法又包括两种模型，一种是基于生物光学的衰减模型，一种是衰减系数模型。基于生物光学的衰减模型主要是通过分析海水中黄色物质、叶绿素、悬浮颗粒等物质对光吸收和散射的影响来研究光在水下的衰减特性，其只能用于光在水平方向上的传输，而当光垂直传输时这种方法就不再适用了；衰减系数模型主要是通过海水的衰减系数来研究光在水下的衰减特性，其虽然是基于实测得来数据进行分析，比较有说服力，但是当光垂直传输时就必须通过实验测出不同深度下的衰减系数，如果要求误差越小，那么所测的值就会越多，分析方法也就越复杂，应用不方便。

发明内容

针对现有水下光传输特性的两种分析方法分别存在的上述问题，本发明提出了一种水下光传输特性的分析方法。本发明采用的技术手段如下：

一种水下光传输特性的分析方法，其特征在于包括：

步骤1：对水体沿深度方向进行分层，获取不同层相应的吸收系数值和散射系数值，根据每一层的吸收系数值和散射系数值计算得到相应层的漫射衰减系数；

步骤2：根据每一层的漫射衰减系数，计算每一层的透过率，将每一层的透过率相乘，得到水体通信信道的整体透过率，之后采用截断误差对该整体透过率进行修正，得到修正后的整体透过率，该修正后的整体透过率表征了水体的光衰减情况；其中的截断误差表示为：

$E=\frac{(b-a)}{12}{h}^2{f}^{\′\′}\left(\mathrm{\η}\right)$

其中，E为截断误差，a、b分别为水体深度的边界值，

f″(η)为叶绿素高斯分布的表达式的二阶导数

步骤3：根据水体的光衰减情况，输出水体通信信道的传输特性。

本发明的水下光传输特性的分析方法利用了绿叶素浓度的垂直分布模型实现对光在水中通信信道的传输特性的分析，相对于现有的衰减系数模型，由于无需通过实验测出不同深度下的衰减系数，方法简便，易于应用。

附图说明

图1为本发明的截断误差E与层数j之间的关系图。

图2为叶绿素浓度在南海几个站点的实测图。

图3为本发明采用的叶绿素浓度垂直分布模型图。

图4为采用叶绿素浓度模型时海水深度与功率衰减的关系图。

图5为采用衰减系数模型时海水深度与功率衰减的关系图。

图6为叶绿素浓度模型与衰减系数模型的比较图。

图7为利用本发明的分析方法得到的理想天气条件下功率衰减与传输距离的关系曲线图。

图8为利用本发明的分析方法得到的理想天气条件下误码率与传输距离的关系曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明的水下光传输特性的分析方法包括：

步骤1：对水体沿深度方向进行分层，获取不同层相应的吸收系数值和散射系数值，并根据每一层的吸收系数值和散射系数值计算得到相应层的漫射衰减系数。

由于光信号在水体中的衰减主要是由光吸收和光散射引起的，光吸收主要包括纯水体对光的吸收、溶解有机物对光的吸收、浮游植物对光的吸收、悬浮颗粒及碎屑对光的吸收；光散射主要包括纯水体对光的散射、浮游植物对光的散射、小颗粒对光的散射、大颗粒对光的散射。假设光吸收系数为A(λ)，纯水体对光的吸收系数为A_w(λ)，溶解有机物对光的吸收系数为A_CDOM(λ)，浮游植物对光的吸收系数为A_c(λ)，悬浮颗粒及碎屑对光的吸收系数为A_d(λ)，则有：

A(λ)＝A_w(λ)+A_CDOM(λ)+A_c(λ)+A_d(λ)    (1)

又假设光散射系数为B(λ)，纯水体对光的散射系数为B_w(λ)、浮游植物对光的散射系数为B_c(λ)、小颗粒对光的散射系数为B_s(λ)、大颗粒对光的散射系数为B_l(λ)，则有：

B(λ)＝B_w(λ)+B_c(λ)+C_sB_s(λ)+C_lB_l(λ)    (2)

又假设光信号在水体中的衰减系数是K(λ)，则有：

K(λ)＝A(λ)+B(λ)

由于水体散射作用的存在，描述准直光束所形成的水下光场的功率衰减不能简单使用光束衰减系数K(λ)表示，为此，本发明采用光信号在水体中的漫射衰减系数k，假设μ＝A(λ)+B(λ)，则漫射衰减系数k可表示为：

$k=A\left(\mathrm{\λ}\right)+g_{s}B\left(\mathrm{\λ}\right)=A\left(\mathrm{\λ}\right)+g_s[1-{(B\left(\mathrm{\λ}\right)/\mathrm{\μ})}^{q_m}]B\left(\mathrm{\λ}\right),g_s=0.17,q_m=11.2---\left(3\right)$

步骤2：根据每一层的漫射衰减系数，计算每一层的透过率，将每一层的透过率相乘，得到水体通信信道的整体透过率，之后采用截断误差对该整体透过率进行修正，得到修正后的整体透过率，该修正后的整体透过率表征了水体的光衰减情况。

假设将水体平均分为j层，每一层的叶绿素浓度不变，z为光信号的水下垂直传输距离，则每一层光透过率L_w表示为：

L_w＝exp(-kz)    (4)

整体透过率

表示为：

$L_w^{\′}=\exp (-\underset{i=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i{z}_i^{\′})---\left(5\right)$

而在实际情况下，水体中叶绿素浓度的分布式连续的，将其分层后会产生误差，且所分层数越多，误差越小，但所分层数越多，计算量越大，为了获取最佳分层数，下面通过截断误差来分析所分层数与误差之间的关系：

复合梯形公式截断误差E满足：

$E=\frac{(b-a)}{12}{h}^2{f}^{\′\′}\left(\mathrm{\η}\right)---\left(6\right)$

其中，a、b分别为水体深度的边界值，f″(η)为叶绿素高斯分布的表达式的二阶导数，如图1示出了误差E与层数j之间的关系。由图1可以看出，在所分层数j达到800层之前，误差E随着层数j的增加而急剧的减小，其变化范围跨度了3个数量级，而当所分层数在800至2000层之间变化时，误差E的减小逐渐趋于平缓，稳定在一个数量级以内。所以，在误差允许的范围内考虑计算量，那么，水深200米时，所分的最佳层数应该为800层左右。

步骤3：根据水体的光衰减情况，输出水体通信信道的传输特性，该传输特性包括误码率、传输速率、传输距离等。

当上述方法应用于对机载激光探测系统的水通信链路传输特性分析时，在步骤3之后，还可以包括：获取机载激光发射机发出的激光束在到达水面时的激光发射功率；根据激光发射功率及整体透过率，得出光在水下传输时功率衰减的变化情况；根据光功率的衰减、接收机的灵敏度，计算光在水下传输的距离。

其中，根据激光发射功率及整体透过率，得出光在水下传输时功率衰减的变化情况的步骤可表示为：

$P_r=P_t\·L_w^{\′}=P_t\·\exp (-\underset{i=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i{z}_i^{\′})---\left(7\right)$

式中，P_t为激光发射功率，P_r为激光接收功率，

为光在水下的透射率。

其中，根据光功率的衰减、接收机的灵敏度，计算光在水下传输的距离的步骤可表示为：

$z_0=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{z}_i^{\&prime;}=n\&CenterDot;z_i^{\&prime;},n<j---\left(8\right)$

式中，n表示光功率刚好能被接收机接收时所达到的层数，z₀表示光所传输的距离。

利用式(7)和式(8)，还可以在已知激光接收功率P_r的前提下，逆向求得激光发射功率P_t，以为合理的设置机载激光发射机发射功率提供参考。

为了验证上述采用叶绿素浓度模型的分析方法的可行性，下面采取相同海域的参数对衰减系数模型与叶绿素浓度模型进行了比较分析：

对于叶绿素浓度模型，假设叶绿素浓度的实测值如图2所示，某一深度下的叶绿素浓度值可表示为：

$C_c\left(z\right)=c_0+\frac{h}{\mathrm{\&sigma;}\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}\exp \left[\frac{{(z-z_{\max })}^2}{-2{\mathrm{\&sigma;}}^2}\right]---\left(9\right)$

其中，c₀是背景生物量(mg/m³)；z_max是最大叶绿素浓度对应的深度(m)；σ是标准偏差(m)；h为背景生物量以上的总生物量(mg/m²)，

表示基线以上的峰值高度。C_c(z)是深度z处的叶绿素浓度值。由式(9)和图2中06年的叶绿素浓度的实测值，可得到如图3所示的叶绿素浓度垂直分布图。若选取灵敏度为-59dBm的接收机，发射功率P_t＝10⁶W，仿真结果如图4所示。

对于衰减系数模型，假设系统的有效衰减系数为Γ，系统参数为P_max，最小可检测到的光场功率为P_smin，水体最大探测深度L_max，则有：

L_max＝ln(P_max/P_smin)/(2Γ)    (10)

如下表选择的不同深度的海水漫射衰减系数，其与上面选取的不同深度海水的叶绿素浓度来自同一监测站的实测数据：

深度/m	5	10	20	30	50	100	200	240
									衰减系数/m-1	0.111	0.113	0.116	0.114	0.111	0.078	0.052	0.051

根据不同深度海水的衰减系数和公式(10)，可以得到不同深度海水的功率衰减，若选取灵敏度为-59dBm的接收机，发射功率P_t＝10⁶W，仿真结果如图5所示。

图6为两种模型对比的仿真图，可以看出，随着激光在海水中传输距离的增加，接收功率呈指数形式衰减。当选用灵敏度为-59dBm的接收机，发射功率P_t＝10⁶W时，可以看出，水下的传输距离为200m左右，两种模型得到的功率衰减特性基本相同，但是用叶绿素浓度来分析明显要更加的方便，适用性也更加的广泛。

下面通过一仿真实例进一步说明上述方法，该仿真实例用以实现功率衰减及误码率仿真分析：

仿真条件：定义一波长为λ的光波，其传输通过距离为z的过程中所产生的空间损耗L_p满足：

$L_p={\left(\frac{\mathrm{\&lambda;}}{4\mathrm{\&pi;z}}\right)}^2---\left(11\right)$

考虑纯大气情况，卫星轨道高610km，此时空间链路的功率损耗可由公式(11)计算得出，采用波长为488nm的激光进行通信，那么通过大气空间链路的功率损耗为263.7744dB。设采用的激光器的发射功率为36dBm，发射天线增益为109dB，接受器的灵敏度为-59dBm，接收机天线增益为135dB，大气背景噪声取经验值2.17dBm，大气海水界面的透过率取0.83dB，通过这些参数，我们就可以得到理想天气条件下的功率衰减，误码率的变化规律。

通过上面的参数，我们能够计算出激光到达海面时的功率大约为13.17dBm，此时采用的叶绿素浓度模型如图3所示，根据上述方法进行仿真分析后的结果如图7所示。

同样，通过叶绿素浓度高斯分布模型我们还可以分析当叶绿素浓度的分布如图3所示时，不同调制的误码率的变化规律。我们分别仿真分析了OOK、2DPSK、4PPM等几种常用调制的误码率，仿真结果如图8所示。其误码率的计算公式如下：

OOK调制的误码率为：

$P_{e\left(\mathrm{OOK}\right)}=\frac{1}{2}\mathrm{erfc}\left(\frac{S/N}{2\sqrt{2}}\right)$

2DPSK调制的误码率为：

$P_{e\left(\mathrm{DPSK}\right)}=\mathrm{erfc}\sqrt{\frac{S/N}{2}}(1-\frac{1}{2}\mathrm{erfc}\sqrt{\frac{S/N}{2}})$

4PPM调制的误码率为：

$P_{e\left(4\mathrm{PPM}\right)}=\frac{1}{4}[\frac{1}{2}\mathrm{erfc}\left(\frac{1-k}{2\sqrt{2}}\sqrt{S/N}\right)+\frac{4-1}{2}\mathrm{erfc}\left(\frac{k}{2\sqrt{2}}\sqrt{4S/N}\right)]$

式中，S/N表示信噪比，k表示阈值门限，一般取0.5。

本发明的水下光传输特性的分析方法利用了绿叶素浓度的垂直分布模型实现对光在水中通信信道的传输特性的分析，相对于现有的衰减系数模型，由于无需通过实验测出不同深度下的衰减系数，方法简便，易于应用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种水下光传输特性的分析方法，其特征在于包括：

步骤1：对水体沿深度方向进行分层，获取不同层相应的吸收系数值和散射系数值，根据每一层的吸收系数值和散射系数值计算得到相应层的漫射衰减系数；

步骤2：根据每一层的漫射衰减系数，计算每一层的透过率，将每一层的透过率相乘，得到水体通信信道的整体透过率，之后采用截断误差对该整体透过率进行修正，得到修正后的整体透过率，该修正后的整体透过率表征了水体的光衰减情况；其中的截断误差表示为：

$E=\frac{(b-a)}{12}{h}^2{f}^{\&prime;\&prime;}\left(\mathrm{\&eta;}\right)$

其中，E为截断误差，a、b分别为水体深度的边界值，

f″(η)为叶绿素高斯分布的表达式的二阶导数

步骤3：根据水体的光衰减情况，输出水体通信信道的传输特性。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于计算得到相应层的漫射衰减系数的步骤表示为：

$k=A\left(\mathrm{\&lambda;}\right)+g_{s}B\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=A\left(\mathrm{\&lambda;}\right)+g_s[1-{(B\left(\mathrm{\&lambda;}\right)/\mathrm{\&mu;})}^{q_m}]B\left(\mathrm{\&lambda;}\right),g_s=0.17,q_m=11.2$

其中，k为漫射衰减系数，A_w(λ)为光吸收系数，B(λ)为光散射系数，μ＝A(λ)+B(λ)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于计算每一层的透过率的步骤表示为：

L_w＝exp(-kz)

其中，z为光信号的水下垂直传输距离，L_w为每一层光透过率。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于整体透过率

表示为：

$L_w^{\&prime;}=\exp (-\underset{i=1}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{k}_i{z}_i^{\&prime;})$

其中，j为水体分层数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于步骤3之后还包括：

获取机载激光发射机发出的激光束在到达水面时的激光发射功率；

根据激光发射功率以及整体透过率，得出光在水下传输时功率衰减的变化情况，其步骤表示为：

$P_r=P_t\&CenterDot;L_w^{\&prime;}=P_t\&CenterDot;\exp (-\underset{i=1}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{k}_i{z}_i^{\&prime;})$

其中，P_t为激光发射功率，P_r为激光接收功率，为光在水下的透射率。

6.据权利要求5所述的方法，其特征在于根据光功率的衰减、接收机的灵敏度，计算光在水下传输的距离，其步骤表示为：

$z_0=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{z}_i^{\&prime;}=n\&CenterDot;z_i^{\&prime;},n<j$

式中，n表示光功率刚好能被接收机接收时所达到的层数，z₀表示光所传输的距离。

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