CN110661568B - 水下到达激光信号3dB强度光斑半径的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水下到达激光信号3dB强度光斑半径的计算方法，通过建立水下激光信号传输过程的MC仿真平台，在给定信道条件下，统计接收平面上到达光子的坐标信息和功率值信息，便以此为依据进行光子二维分布情况统计，由此得到到达激光信号的光斑。本发明能够为海洋激光通信系统中光学接收镜头(含接收镜头阵列)的尺寸设计及其最优位置分布策略提供数据和技术参考。

Description

水下到达激光信号3dB强度光斑半径的计算方法

技术领域

本发明涉及水下激光通信技术领域，具体涉及一种水下到达激光信号3dB强度光斑半径的计算方法。

背景技术

激光在散射海水信道的传输过程，可以视为大量光子在其中的传播过程。在水下激光信道研究领域中，由于海水复杂而随机的时空变特性，海水中水分子、浮游植物和有色溶解有机物等的吸收效应以及水分子、浮游植物和悬浮颗粒物等散射效应，激光信号在海水中传播时，会遭受严重的衰减和偏离原有传播路径。

由于海水散射效应的影响，到达激光信号会在接收平面上弥散成比其自然发散大很多的信号光斑，但海水信道下到达激光信号的主要光功率却分布在3dB强度光斑以内，此时若将全部信号光斑分布全部纳入统计范围，计算复杂度必然骤增。同时，实际光学接收镜头的尺寸也远小于到达激光信号光斑的尺寸。因此在给定合理尺寸接收平面的条件下，计算该3dB强度光斑的半径，既可以表征信道和光学系统参数对其产生的影响，又可以为海洋激光通信系统光学接收镜头的尺寸设计及其最优位置分布策略提供数据和技术参考。

虽然目前国内许多研究团队对水下激光信道的特性开展了相关应用研究。但现有研究资料中，仍然没有全面表征出到达激光信号光斑的二维分布特性的相关研究。

发明内容

本发明针对光子到达接收平面的二维空间分布，提供一种水下到达激光信号3dB强度光斑半径的计算方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

水下到达激光信号3dB强度光斑半径的计算方法，其具体包括步骤如下：

步骤1、将激光通信系统发收天线的准直光轴视为z轴，以实际过程中光子到达平面即接收平面xOy建立xyz坐标系，并在给定信道条件下，基于MC仿真方法对海水中激光信号的传输过程进行仿真，以MC仿真过程中各个光子到达平面即统计平面x′O′y′建立x′y′z坐标系；

步骤2、对于每个光子，在MC仿真过程中，记录该光子在光源处出的发射位置

并记录该光子在运动过程中的每一次散射的到达坐标(x′_i,y′_i,z′_i)及其对应的单位方向向量

当该光子的每一次散射的散射步长l_i在光轴上投影的矢量之和即散射步长矢量和L_z大于等于传输距离Z₀时，表明该光子到达统计平面x′O′y′；

步骤3、基于步骤2所记录的仿真结果，计算每个光子到达接收平面xOy的到达坐标(x_M,y_M,Z₀)，其中：

式中，

为光子的发射位置，

为光子第i次散射的单位方向向量，

为光子到达统计平面x′O′y′的单位方向向量，l_i为第i次散射的散射步长，L_z为散射步长矢量和，Z₀传输距离，i＝1,2,…，M，M为光子到达接收平面时所经历的散射次数；

步骤4、计算每个光子到达接收平面xOy的功率值ω，其中：

ω＝ω₀u^M

式中，ω₀为光子发射时所携带的功率值，u＝K_s(λ)/K_att(λ)为反照率，K_s(λ)为散射系数，K_att(λ)为衰减系数；M为光子到达接收平面时所经历的散射次数；

步骤5、将接收平面xOy的几何中心与激光通信系统发收天线的准直光轴重合，并将接收平面xOy分割成N×N个正方形的面积微元，其中N为能被2整除的正整数；

步骤6、基于MC仿真过程所得到的每个光子到达接收平面xOy的到达坐标(x_M,y_M,Z₀)和功率值ω，统计每个面积微元内所有光子的功率值R_Inty(l,m)，并将所有面积微元内所有光子的功率值R_Inty(l,m)进行累加后得到激光信号到达接收平面上的总功率值R_total；其中l,m＝-N/2,1-N/2,…,N/2-1,N/2；

步骤7、以接收平面xOy的几何中心为原点，以当前迭代半径r_3dB(k)作圆，并统计圆内所有光子的功率值之和R_Inty(k)；其中

r_3dB(k)＝(2R_PD/N)×k

式中，2R_PD为接收平面xOy的边长，k为迭代次数，k＝1,2，…，且k≤N/2；

步骤8、求解满足10lg[R_Inty(k)/R_to_tal]≥-3的最小k值，则当前迭代半径r_3dB(k)即为所求的水下到达激光信号3dB强度光斑半径。

与现有技术相比，本发明通过建立水下激光信号传输过程的MC仿真平台，在给定信道条件下，统计接收平面上到达光子的坐标信息和功率值信息，便以此为依据进行光子二维分布情况统计，由此得到到达激光信号的光斑。本发明能够为海洋激光通信系统中光学接收镜头(含接收镜头阵列)的尺寸设计及其最优位置分布策略提供数据和技术参考。

附图说明

图1为光子到达坐标示意图。

图2为3dB强度光斑半径示意图示意图。

图3为纯净海水3dB强度光斑半径与传输距离曲线图。

图4为清洁海水3dB强度光斑半径与传输距离曲线图。

图5为沿岸海水3dB强度光斑半径与传输距离曲线图。

图6为港口海水3dB强度光斑半径与传输距离曲线图。

图7为纯净海水3dB强度光斑半径与接收平面半孔径曲线图。

图8为清洁海水3dB强度光斑半径与接收平面半孔径曲线图。

图9为海岸海水3dB强度光斑半径与接收平面半孔径曲线图。

图10为港口海水3dB强度光斑半径与接收平面半孔径曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

一种水下到达激光信号3dB强度光斑半径的计算方法，其具体如下步骤：

步骤1、如附图1所示，将激光通信系统发收天线的准直光轴视为z轴，以实际过程中光子到达平面即接收平面xOy建立xyz坐标系，并在给定信道条件下，基于MC仿真方法对海水中激光信号的传输过程进行仿真，以MC仿真过程中各个光子到达平面即统计平面x′O′y′建立x′y′z坐标系。

MC仿真方法是研究散射媒介中光波辐射传输方程的通用方法，也常用来追踪光子的传播轨迹。相对于实验方法，它能灵活调整激光信号的各种参数和需要统计大量的光子或光子包，从而可以全面准确的揭示水下激光信道的散射特征。因此，采用MC仿真方法对海水中激光信号的传输过程进行仿真。

步骤2、对于每个光子，在MC仿真过程中，记录该光子在光源处出的发射位置

并记录该光子在运动过程中的每一次散射的到达坐标(x′_i,y′_i,z′_i)及其对应的单位方向向量

当该光子的每一次散射的散射步长l_i在光轴上投影的矢量之和即散射步长矢量和L_z大于等于传输距离Z₀时，表明该光子到达统计平面x′O′y′，此时光子的第M次散射完成，到达坐标为(x′_M,y′_M,z′_M)，单位方向向量为

其中，

为光子在光源处出发射位置，其中

为第i次散射的单位方向向量，l_i为第i次散射的散射步长，i＝1,2,…，M，M为光子到达接收平面时所经历的散射次数。

步骤3、基于步骤2所记录的仿真结果，计算每个光子到达接收平面xOy的到达坐标(x_M,y_M,Z₀)，其中：

式中，

为光子的发射位置，

为光子第i次散射的单位方向向量，

为光子到达统计平面x′O′y′的单位方向向量，l_i为第i次散射的散射步长，L_z为散射步长矢量和，Z₀传输距离，i＝1,2,…，M，M为光子到达接收平面时所经历的散射次数。

步骤4、计算每个光子到达接收平面xOy的功率值ω，其中：

ω＝ω₀u^M

式中，ω₀为光子发射时所携带的功率值，取值为1，u＝K_s(λ)/K_att(λ)为反照率，K_s(λ)为散射系数，K_att(λ)为衰减系数。

步骤5、设定接收平面为一个面积有限的正方形，将接收平面xOy的几何中心与激光通信系统发收天线的准直光轴重合，并将接收平面xOy分割成N×N个正方形的面积微元；其中N为一个取值足够大且能被2整除的正整数。

步骤6、以平面的几何中心为原点建立xyz三维坐标系，其中，z轴为光信号的光轴，平面x、y轴方向的半边长为R_PD，接收视场角为Ψ_R。当光子到达功率值ω大于或等于预先设定的阈值Th，到达xOy平面的坐标(x_M,y_M,Z₀)在接收平面尺寸以内且其到达角度小于或等于接收视场半角时，判定光子能够被接收，具体的判断条件如下：

基于MC仿真得到每个光子在接收平面xOy上的到达坐标(x_M,y_M,Z₀)和功率值ω，统计到达每个面积微元内所有光子的功率值和，则第(l,m)个面积微元所覆盖的功率值可以记为R_Inty(l,m)，其中l,m＝-N/2,1-N/2,…,N/2-1,N/2，据此，激光信号到达接收平面上的总功率值为：

步骤7、令迭代次数k＝1,2，…，且k≤N/2；如附图2所示，以接收平面xOy的几何中心为原点，以当前迭代半径r_3dB(k)作圆，并统计圆内所有光子的功率值之和R_Inty(k)；其中

r_3dB(k)＝(2R_PD/N)×k

式中，2R_PD为接收平面xOy的边长。

步骤8、求解满足10lg[R_Inty(k)/R_total]≥-3的最小k值，即从1开始不断增加迭代次数k的取值，一但10lg[R_Inty(k)/R_total]≥-3满足时，则当前迭代半径r_3dB(k)即为所求的水下到达激光信号3dB强度光斑半径。

为了更好地说明上述方法，表一、表二和表三分别给出不同类型的信道参数和用于MC仿真的系统参数。

表一 信道参数配置表

表二 MC仿真参数配置表(用于研究3dB光斑半径与传输距离的关系)

表三 MC仿真参数配置表(用于研究3dB光斑半径与接收平面尺寸的关系)

根据上述表一和表二的仿真参数，通过表四至表七分别给出了纯净、清洁、沿岸和港口海水信道的若干传输节点处的3dB强度光斑半径大小，对应的曲线关系图由附图3～6给出。

表四 纯净海水信道若干传输节点处3dB强度光斑半径

表五 清洁海水信道若干传输节点处3dB强度光斑半径

表六 沿岸海水信道若干传输节点处3dB强度光斑半径

表七 港口海水信道若干传输节点处3dB强度光斑半径

根据上述表一和表三的仿真参数，通过表八至表十一分别给出了纯净、清洁、沿岸和港口海水信道的若干接收平面半孔径取值下的3dB强度光斑半径大小，对应的曲线关系图由附图7～10给出。

表八 纯净海水信道若干接收平面半孔径节点处的3dB强度光斑半径

表九 清洁海水信道若干接收平面半孔径节点处的3dB强度光斑半径

表十 沿岸海水信道若干接收平面半孔径节点处的3dB强度光斑半径

表十一 港口海水信道若干接收平面半孔径节点处的3dB强度光斑半径

通过表三至表十一及附图3～10的数据和曲线图说明，接收平面到达激光信号的3dB强度光斑半径的大小与信道类型、信号发散角、接收视场角、传输距离和接收平面统计孔径密切相关。故本发明说明了上述各个因素对3dB强度光斑半径的影响情况。

本发明通过建立水下激光信号传输过程的MC仿真平台，在给定信道条件下，统计大小有限的接收平面上到达光子的坐标信息，输出接收平面上光子到达ω_i的二维分布情况，提出了一种3dB强度光斑半径计算方法，通过计算给定通信距离和接收平面尺寸条件下该而为分布的3dB强度光斑半径，给出了几种典型信道类型的3dB强度光斑半径与传输距离、接收平面尺寸的曲线关系，为海洋激光通信系统中光学接收镜头的尺寸设计及其最优位置分布策略提供数据和技术参考。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (2)

1.水下到达激光信号3dB强度光斑半径的计算方法，其特征是，其具体包括步骤如下：

步骤1、将激光通信系统发收天线的准直光轴视为z轴，以实际过程中光子到达平面即接收平面xOy建立xyz坐标系，并在给定信道条件下，基于MC仿真方法对海水中激光信号的传输过程进行仿真，以MC仿真过程中各个光子到达平面即统计平面x′O′y′建立x′y′z坐标系；

步骤2、对于每个光子，在MC仿真过程中，记录该光子在光源处的发射位置

并记录该光子在运动过程中的每一次散射的到达坐标(x_i′,y_i′,z_i′)及其对应的单位方向向量

当该光子的每一次散射的散射步长l_i在光轴上投影的矢量之和即散射步长矢量和L_z大于等于传输距离Z₀时，表明该光子到达统计平面x′O′y′；

步骤3、基于步骤2所记录的仿真结果，计算每个光子到达接收平面xOy的到达坐标(x_M,y_M,Z₀)，其中：

式中，

为光子的发射位置，

为光子第i次散射的单位方向向量，

为光子到达统计平面x′O′y′的单位方向向量，l_i为第i次散射的散射步长，L_z为散射步长矢量和，Z₀传输距离，i＝1,2,…，M，M为光子到达接收平面时所经历的散射次数；

步骤4、计算每个光子到达接收平面xOy的功率值ω，其中：

ω＝ω₀u^M

式中，ω₀为光子发射时所携带的功率值，u＝K_s(λ)/K_att(λ)为反照率，K_s(λ)为散射系数，K_att(λ)为衰减系数；M为光子到达接收平面时所经历的散射次数；

步骤5、将接收平面xOy的几何中心与激光通信系统发收天线的准直光轴重合，并将接收平面xOy分割成N×N个正方形的面积微元，其中N为能被2整除的正整数；

步骤6、基于MC仿真过程所得到的每个光子到达接收平面xOy的到达坐标(x_M,y_M,Z₀)和功率值ω，统计每个面积微元内所有光子的功率值R_Inty(l，m)，并将所有面积微元内所有光子的功率值R_Inty(l，m)进行累加后得到激光信号到达接收平面上的总功率值R_total：

其中，R_Inty(l，m)为第(l，m)个面积微元所覆盖的功率值，l,m＝-N/2，1 -N/2,…,N/2-1,N/2；

步骤7、以接收平面xOy的几何中心为原点，以当前迭代半径r_3dB(k)作圆，并统计圆内所有光子的功率值之和R_Inty(k)；其中

r_3dB(k)＝(2R_PD/N)×k

式中，2R_PD为接收平面xOy的边长，k为迭代次数，k＝1,2，…，且k≤N/2；

步骤8、求解满足10lg[R_Inty(k)/R_total]≥-3的最小k值，则当前迭代半径r_3dB(k)即为所求的水下到达激光信号3dB强度光斑半径。

2.根据权利要求1所述的水下到达激光信号3dB强度光斑半径的计算方法，其特征是，光子发射时所携带的功率值ω₀为1。

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