CN113297643B - 一种水下蓝绿激光通信中光斑面积的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水下蓝绿激光通信中光斑面积的计算方法，具体为：空间直角坐标系下，确定光源发射光子传输方向的余弦函数、光子的随机步长和光子第一次遇到粒子发生吸收或散射时的坐标；再得到光子遇到粒子发生吸收和散射的概率，重复以上步骤，直到光子经过n次散射到达接收面，光子在接收面上的坐标为光子发生第n+1次吸收或散射时的坐标，根据光子在接收面上的坐标分布，找出最外层光子，用线连接得到一个闭合曲线，闭合曲线围出的面积为接收面接收到的光斑的面积；利用紫外光在大气中的散射传输计算蓝绿激光在海水中传输，获得蓝绿激光在水下传输到达接收面上的光斑面积，从而为水下蓝绿激光通信中，接收端的透镜尺寸设计提供理论依据。

Description

一种水下蓝绿激光通信中光斑面积的计算方法
技术领域
本发明属于水下无线激光通信技术领域，具体涉及一种水下蓝绿激光通信中光斑面积的计算方法。
背景技术
与陆上通信相比，电磁波在水中传播会发生严重的衰减，通信距离受到严重限制。水声通信虽然传输距离远，但是会产生严重的时延，且传输速率很慢。光通信弥补了电磁波在水中传输的高强度衰减以及声波在水中传输的高时延等缺点，是水下通信中一种新兴的通信技术。水下光通信有水下激光通信和水下可见光通信两种方式，使用的光波段均为450-550nm的蓝绿光。
光在海水中传输会受到海水中水分子、各种溶解物质和悬浮粒子的散射影响，改变光子的传输路径，使得光斑大小发生变化。以激光为例，蓝色激光器发出的蓝色激光在海水中传输，若在理想状态下，接收面接收到的光斑大小与初始激光器发出的光斑大小相一致。但在实际情况下并不是这样，接收面接收到的激光光斑大小与激光在海水中的传输方式(激光平行于海面传输、垂直于海面传输和斜程传输)和传输距离有关。相同传输距离下，不同的传输方式，光斑的大小不同；相同传输方式下，不同的传输距离，光斑的大小也不同。
发明内容
本发明的目的是提供一种水下蓝绿激光通信中光斑面积的计算方法，根据计算得到的激光光斑面积，为设计水下蓝绿激光通信中接收端的透镜尺寸提供理论依据。
本发明所采用的技术方案是，一种水下蓝绿激光通信中光斑面积的计算方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，在空间直角坐标系O-xyz下，光源的坐标为(x,y,z)，确定光源发射光子传输方向的余弦函数(ux,uy,uz)；
步骤2，确定光子的随机步长和光子第一次遇到粒子发生吸收或散射时的坐标；
步骤3：确定光子遇到粒子发生吸收和散射的概率，光子遇到粒子发生吸收的概率为P，则散射的概率为1-P；
步骤4，设激光器发出的光子有N个，光子第一次遇到粒子时，被吸收的光子数为NP，被散射的光子数为N(1-P)；根据Henyey-Greenstein相位函数确定光子被粒子散射时，散射角θ的余弦函数；
步骤5，根据光子发生散射时散射角的余弦函数，确定光子新的传输方向的方向余弦；
步骤6，重复步骤2-5，直到光子经过n次散射到达接收面，得到光子第n次与粒子相遇时的坐标(xn,yn,zn)，光子的数目N(1-P)n-1，以及光子发生第n次吸收或散射后，光子的数目N(1-P)n，光子传输方向的方向余弦uxn,uyn,uzn；
步骤7，光子在接收面上的坐标为光子发生第n+1次吸收或散射时的坐标(xn+1,yn+1,zn+1)，光子在接收面上的数目为N(1-P)n，根据N(1-P)n个光子在接收面上的坐标分布，找出最外层光子，并用线连接，得到一个闭合曲线，闭合曲线围出的面积为接收面接收到的光斑的面积，最后用MATLAB中的polyarea函数计算出光斑面积。
本发明的特点还在于，
步骤1中，光子传输方向的余弦函数(ux,uy,uz)，如式(1)、式(2)及式(3)所示；
ux＝sinθ1cosψ (1)；
uy＝sinθ1sinψ (2)；
uz＝cosθ1 (3)；
其中，ψ为光子的方位角，θ1为光子的偏转角，θ1在[0,φ/2]内取值。
步骤2中，具体为：由Bouguer-Lambert定律，结合蒙特卡罗方法，对随机步长进行抽样，如式(4)所示；
Δs＝-lnξ(s)/bp (4)；
其中，ξ(s)是在[0,1]上均匀分布的随机数，bp是海水的前向散射系数；ξ(s)的值由MATLAB中的rand函数随机生成；
确定光子传输的随机步长后，根据光子的传输方向，计算光子第一次遇到粒子发生吸收或散射时的坐标(x1,y1,z1)，如式(5)、式(6)及式(7)所示；
x1＝x+uxΔs (5)；
y1＝y+uyΔs (6)；
z1＝z+uzΔs (7)。
步骤3中，光子遇到粒子发生吸收的概率为P，如式(8)所示；
Figure GDA0003935934040000041
其中，a是海水的吸收系数，bp是海水的前向散射系数。
步骤4中，散射角θ的余弦函数如式(9)所示；
Figure GDA0003935934040000042
其中，g是所有散射角上散射角的平均余弦
Figure GDA0003935934040000043
τ是(0,1)上均匀分布的随机数；
Figure GDA0003935934040000044
的计算公式如式(10)所示；
Figure GDA0003935934040000045
其中，Bp是后向散射比，Bp的计算公式如式(11)所示；
Figure GDA0003935934040000046
其中，bbp是海水的后向散射系数。
步骤5中，光子新的传输方向的方向余弦，式(12)、(13)及式(14)所示；
Figure GDA0003935934040000047
Figure GDA0003935934040000048
Figure GDA0003935934040000049
本发明的有益效果是，利用紫外光在大气中的散射传输计算蓝绿激光在海水中传输，获得蓝绿激光在水下传输到达接收面上的光斑面积，从而为水下蓝绿激光通信中，接收端的透镜尺寸设计提供理论依据。
附图说明
图1是蓝色激光在海水中传输受海水中水分子、各种溶解物质和悬浮粒子的吸收和散射影响的传输示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种水下蓝绿激光通信中光斑面积的计算方法，根据光子在接收面上的坐标分布，找出最外层光子，并用线连接，得到一个闭合曲线，闭合曲线围出的面积就是接收面接收到的光斑面积，最后，用MATLAB中的polyarea函数计算出光斑面积；
图1是蓝色激光平行于海面在海水中传输时，受海水中水分子、各种溶解物质和悬浮粒子的吸收和散射影响的传输示意图。图中，灰色粒子表示海水中水分子、各种溶解物质和悬浮粒子对激光的吸收，黑色粒子表示海水中水分子、各种溶解物质和悬浮粒子对激光的散射。
具体按照以下步骤实施：
步骤1，将激光器看成一个点光源，发出激光的光子是高斯分布的，激光的发散角为φ，发射仰角为
Figure GDA0003935934040000051
光子的方位角为ψ；
在空间直角坐标系O-xyz下，光源的坐标为(x,y,z)，确定光源发射光子传输方向的余弦函数(ux,uy,uz)，如式(1)、式(2)及式(3)所示；
ux＝sinθ1cosψ (1)；
uy＝sinθ1sinψ (2)；
uz＝cosθ1 (3)；
其中，ψ为光子的方位角，θ1为光子的偏转角，θ1在[0,φ/2]内取值；
步骤2，确定光子的随机步长和光子第一次遇到粒子发生吸收或散射时的坐标；
具体为：由Bouguer-Lambert定律，结合蒙特卡罗方法，对随机步长进行抽样，如式(4)所示；
Δs＝-lnξ(s)/bp (4)；
其中，ξ(s)是在[0,1]上均匀分布的随机数，bp是海水的前向散射系数；ξ(s)的值由MATLAB中的rand函数随机生成；
确定光子传输的随机步长后，根据光源坐标(x,y,z)和光子的传输方向，计算光子第一次遇到粒子发生吸收或散射时的坐标(x1,y1,z1)，如式(5)、式(6)及式(7)所示；
x1＝x+uxΔs (5)；
y1＝y+uyΔs (6)；
z1＝z+uzΔs (7)；
步骤3：确定光子遇到粒子发生吸收和散射的概率，光子遇到粒子发生吸收的概率为P，如式(8)所示，则散射的概率为1-P；
Figure GDA0003935934040000061
其中，a是海水的吸收系数；
步骤4，设激光器发出的光子有N个，光子第一次遇到粒子时，被吸收的光子数为NP，被散射的光子数为N(1-P)；根据Henyey-Greenstein相位函数确定光子被粒子散射时，散射角θ的余弦函数，如式(9)所示；
Figure GDA0003935934040000071
其中，g是所有散射角上散射角的平均余弦
Figure GDA0003935934040000072
τ是(0,1)上均匀分布的随机数；由MATLAB中的rand函数随机生成；
Figure GDA0003935934040000073
的计算公式如式(10)所示；
Figure GDA0003935934040000074
其中，Bp是后向散射比，Bp的计算公式如式(11)所示；
Figure GDA0003935934040000075
其中，bbp是海水的后向散射系数，bp是海水的前向散射系数。
步骤5：根据光子发生散射时散射角的余弦函数，确定光子新的传输方向的方向余弦，如式(12)、(13)及式(14)所示；
Figure GDA0003935934040000076
Figure GDA0003935934040000077
Figure GDA0003935934040000078
步骤6，重复步骤2-5，直到光子经过n次散射到达接收面，则可得到光子第n次与粒子相遇时的坐标(xn,yn,zn)，光子的数目N(1-P)n-1，以及光子发生第n次散射后，光子的数目N(1-P)n，光子传输方向的方向余弦uxn,uyn,uzn；
步骤7，光子在接收面上的坐标为光子发生第n+1次吸收或散射时的坐标(xn+1,yn+1,zn+1)，光子在接收面上的数目为N(1-P)n。根据N(1-P)n个光子在接收面上的坐标分布，找出最外层光子，并用线连接，得到一个闭合曲线，闭合曲线围出的面积就是接收面接收到的光斑的面积，最后用MATLAB中的polyarea函数计算出光斑面积。

Claims (6)

1.一种水下蓝绿激光通信中光斑面积的计算方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，在空间直角坐标系O-xyz下，光源的坐标为(x,y,z)，确定光源发射光子传输方向的余弦函数(ux,uy,uz)；
步骤2，确定光子的随机步长和光子第一次遇到粒子发生吸收或散射时的坐标；
步骤3：确定光子遇到粒子发生吸收和散射的概率，光子遇到粒子发生吸收的概率为P，则散射的概率为1-P；
步骤4，设激光器发出的光子有N个，光子第一次遇到粒子时，被吸收的光子数为NP，被散射的光子数为N(1-P)；根据Henyey-Greenstein相位函数确定光子被粒子散射时，散射角θ的余弦函数；
步骤5：根据光子发生散射时散射角的余弦函数，确定光子新的传输方向的方向余弦；
步骤6，重复步骤2-5，直到光子经过n次散射到达接收面，得到光子第n次与粒子相遇时的坐标(xn,yn,zn)，光子的数目N(1-P)n-1，以及光子发生第n次吸收或散射后，光子的数目N(1-P)n，光子传输方向的方向余弦uxn,uyn,uzn；
步骤7，光子在接收面上的坐标为光子发生第n+1次吸收或散射时的坐标(xn+1,yn+1,zn+1)，光子在接收面上的数目为N(1-P)n，根据N(1-P)n个光子在接收面上的坐标分布，找出最外层光子，并用线连接，得到一个闭合曲线，闭合曲线围出的面积为接收面接收到的光斑的面积，最后用MATLAB中的polyarea函数计算出光斑面积。
2.根据权利要求1所述的一种水下蓝绿激光通信中光斑面积的计算方法，其特征在于，所述步骤1中，光子传输方向的余弦函数(ux,uy,uz)，如式(1)、式(2)及式(3)所示；
ux＝sinθ1cosψ (1)；
uy＝sinθ1sinψ (2)；
uz＝cosθ1 (3)；
其中，ψ为光子的方位角，θ1为光子的偏转角，θ1在[0,φ/2]内取值。
3.根据权利要求2所述的一种水下蓝绿激光通信中光斑面积的计算方法，其特征在于，所述步骤2中，具体为：由Bouguer-Lambert定律，结合蒙特卡罗方法，对随机步长进行抽样，如式(4)所示；
Δs＝-lnξ(s)/bp (4)；
其中，ξ(s)是在[0,1]上均匀分布的随机数，bp是海水的前向散射系数；ξ(s)的值由MATLAB中的rand函数随机生成；
确定光子传输的随机步长后，根据光子的传输方向，计算光子第一次遇到粒子发生吸收或散射时的坐标(x1,y1,z1)，如式(5)、式(6)及式(7)所示；
x1＝x+uxΔs (5)；
y1＝y+uyΔs (6)；
z1＝z+uzΔs (7)。
4.根据权利要求3所述的一种水下蓝绿激光通信中光斑面积的计算方法，其特征在于，所述步骤3中，光子遇到粒子发生吸收的概率为P，如式(8)所示；
Figure FDA0003935934030000031
其中，a是海水的吸收系数，bp是海水的前向散射系数。
5.根据权利要求4所述的一种水下蓝绿激光通信中光斑面积的计算方法，其特征在于，所述步骤4中，散射角θ的余弦函数如式(9)所示；
Figure FDA0003935934030000032
其中，g是所有散射角上散射角的平均余弦
Figure FDA0003935934030000033
τ是(0,1)上均匀分布的随机数；
Figure FDA0003935934030000034
的计算公式如式(10)所示；
Figure FDA0003935934030000035
其中，Bp是后向散射比，Bp的计算公式如式(11)所示；
Figure FDA0003935934030000036
其中，bbp是海水的后向散射系数。
6.根据权利要求5所述的一种水下蓝绿激光通信中光斑面积的计算方法，其特征在于，所述步骤5中，光子新的传输方向的方向余弦，式(12)、(13)及式(14)所示；
Figure FDA0003935934030000037
Figure FDA0003935934030000041
Figure FDA0003935934030000042
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