CN113746544A - 一种非均匀海水的垂直信道链路分层方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非均匀海水的垂直信道链路分层方法，包括获取海水垂直方向上的叶绿素浓度或者海水中的吸收、散射光谱；基于标准a）或标准b）得到光衰减垂直分布特性；标准a）：处理数据为垂直方向上的叶绿素浓度，则基于叶绿素浓度的垂直分布，建立叶绿素单参数衰减模型，得到光谱漫射衰减系数的垂直分布；标准b）：处理数据为吸收、散射光谱，则基于海水中纯水、黄腐酸、腐殖酸和叶绿素的吸收光谱以及海水中纯水、大小颗粒物的散射光谱，得到吸收光谱与散射光谱之和；根据海水中垂直链路的衰减情况对信道链路进行非均匀分层。以海水组成介质的垂直分布为标准对海域内不同深度的光传输链路进行非均匀分层，提升通信系统的可靠性和稳定性。

Description

一种非均匀海水的垂直信道链路分层方法

技术领域

本发明属于水下无线光通信信道建模领域，具体是指一种非均匀海水的垂直信道链路分层方法，垂直是指具有垂直距离的通信链路，包括垂直和斜程路径的海水信道。

背景技术

水下无线光通信是海洋环境监测、水下无线传感器网络以及军事防御中的关键技术，海水作为通信的传输介质，其光学特性是无线光通信系统的设计和部署需要着重考虑的因素。真实的海洋环境中，海水中除了含有大量的水分子、溶解物质和浮游生物等，还包含大量的悬浮粒子和黄色物质。海水的光学特性与其组成成分密切相关，因此光学特性十分复杂，这也导致激光在海水信道中的链路衰减比大气严重得多。其中，影响光在水下传播的两个主要因素是海水介质的各种不均匀分布特性对光的吸收和散射：一方面，海水对光能量的吸收由水分子、各种生物颗粒、溶解物、矿物质等共同决定；另一方面，非纯海水的悬浮粒子或纯水中分子或离子的碰撞造成光束的多次散射。诸多海洋实验研究表明，海水信道中各衰减介质相对大气信道而言成分更多且分布更复杂，不同海域的水体成分、浓度分布以及同一海域不同深度，不同时间的水体成分、浓度分布差异都较大，这导致海水的吸收、散射特性都随着时间和空间的不同而变化。当前研究表明，海水信道建模主要考虑水体的吸收和散射效应，且假设所研究水体为均匀分布的各向同性介质。关于海水吸收和散射的垂直分布特性分析的却比较少，即使有少部分信道建模将海水垂直链路进行了分层，也仅限于某特定的海域，且对海域位置限制大，不具灵活性。

目前，海水信道建模都是基于光学收发器是完全对准的水平链路，且传输介质满足各向同性。关于激光在海水中的传输特性，一般是建立在水体介质为均匀分布的假设下，即水体参数是定常性和各向同性的，没有考虑到海水传输介质的吸收和散射会因其深度的变化而变化这一问题。然而实际的水下通信系统中，收发器间并不可能完全对准，始终存在倾斜，且垂直方向上不同深度的叶绿素浓度、颗粒含量以及浑浊程度等并非一个常数，而这些又直接影响着海水光学性质，导致衰减系数随着深度不同而变化。因此，针对海水光学特性在垂直方向上的变化、建立相应的垂直光链路衰减模型描述光束在海水垂直方向的传输特性，分析各介质对激光的衰减情况对于水下通信、海洋探测以及水下对空通信等技术领域有着重要的意义。为了更加真实地反映激光在海水信道的传输特性，减小垂直光链路通信的衰减误差，海水信道垂直链路建模必不可少。

发明内容

海水在垂直或斜程链路上为非均匀分布的各向异性介质，针对海水信道垂直方向上不同深度的叶绿素浓度、颗粒含量以及浑浊程度等并非一个常数，不能简单将海水中的吸收和散射系数视为常量，据此，本发明提出一种非均匀海水的垂直信道链路分层方法，对海水垂直信道光传输路径分层建模，本发明能准确建立海水垂直方向上光通信链路模型，更加贴合实际地反映海水垂直链路的光衰减特性。

本发明要解决的技术问题是：本发明可以解决不同海域、不同时间、不同深度处的水下无线光通信系统功率估计不准确问题以及通信过程中系统收发机之间的非对准问题。以海水组成介质的垂直分布为标准对海域内不同深度的光传输链路进行非均匀分层，从而指导水下无线光通信系统发射功率、接收机口径等参数的调整，提升通信系统的可靠性和稳定性。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种非均匀海水的垂直信道链路分层方法，包括如下步骤：

1)获取海水垂直方向上的叶绿素浓度或者海水中的吸收、散射光谱，视该垂直方向上垂直链路上的海水为非均匀介质，该链路不限制通信方向即上行或下行通信方向、不限制信道链路形式即垂直或斜程链路形式、不限制通信距离、不限制通信平台；

2)基于标准a)或标准b)得到非均匀海水的光衰减垂直分布特性；

标准a)：处理数据为垂直方向上的叶绿素浓度，则基于叶绿素浓度的垂直分布，建立叶绿素单参数衰减模型，得到光谱漫射衰减系数的垂直分布；

标准b)：处理数据为吸收、散射光谱，则基于海水中纯水、黄腐酸、腐殖酸和叶绿素的吸收光谱以及海水中纯水、大小颗粒物的散射光谱，得到海水垂直方向上的总衰减，即吸收光谱与散射光谱之和；

3)根据海水中垂直链路的衰减情况对信道链路进行非均匀分层。

进一步地，所述标准a)包括如下步骤：

a-1)获取海水垂直方向上的叶绿素浓度Chl(单位为mg/m^-3)；

a-2)将叶绿素浓度Chl转化为相对应的漫射衰减系数K_d：

K_d＝0.04454+0.04829×(Chl)^0.67224

a-3)根据海水的吸收、散射系数(单位为m^-1)与漫射衰减系数K_d的关系，计算吸收系数a和散射系数b：

a＝0.75K_d，b＝K_d

a-4)总衰减系数c则为吸收、散射系数之和：

c＝a+b

＝0.078+0.0845(Chl)^0.67224。

获取海水垂直方向上的叶绿素浓度基于以上建立叶绿素单参数衰减模型，即可得到海水垂直方向上的衰减情况。

进一步地，所述标准b)包括如下步骤：

b-1)海水中主要考虑纯水、叶绿素和被溶解物引起的吸收效应，吸收光谱a(λ)如下式所示：

式中λ为波长，400～700nm；a_w表示纯水的吸收光谱，

表示黄腐酸的吸收光谱，

表示腐殖酸的吸收光谱，

表示叶绿素的吸收光谱，且

A(λ)和B(λ)是经验常数，a_w和

单位为m^-1；k_h和k_f为两种黄腐酸的指数系数，其中k_h＝0.0189nm^-1，k_f＝0.01105nm^-1；

为海水表层叶绿素浓度，单位mg/m³；C_h为黄腐酸浓度，C_f为腐殖酸浓度，C_chl为叶绿素浓度，单位mg/m³，且有如下关系：

C_h＝1.174098C_chlexp(0.12327C_chl)

C_f＝0.19334C_fexp(0.12343C_f)；

b-2)海水的散射光谱表示为：

式中b_w(λ)为纯水的散射光谱，单位m^-1；C_b为小颗粒的浓度，单位g/m³；

为散射光谱，单位m²/g；C_s为大颗粒的浓度，

为散射光谱；纯水的散射系数光谱表达式：

b_w(λ)＝0.005826×(400/λ)^4.322

大颗粒和小颗粒的散射光谱及浓度关系式如下：

C_b＝0.01739C_chlexp(0.1163C_chl)，C_s＝0.76284C_chlexp(0.03092C_chl)；

b-3)得到吸收光谱a(λ)和散射光谱b(λ)后，根据c(λ)＝a(λ)+b(λ)得到海水垂直方向上的总衰减：

以上，由海水中纯水、黄腐酸、腐殖酸和叶绿素等的吸收光谱以及海水中纯水、大小颗粒物的散射光谱，根据c(λ)＝a(λ)+b(λ)即可得到总的海水衰减。

叶绿素浓度或吸收、散射光谱垂直分布情况：对于同一海域不同深度的叶绿素浓度、颗粒含量以及浑浊程度等并非常量，海水的吸收、散射特性都随着深度的不同而变化，在获取垂直方向海水的叶绿素浓度或黄腐酸、腐殖酸、大颗粒以及小颗粒物等的浓度，以得到吸收、散射光谱时，不限制海域、不限制时间、不限制深度、不限制获取方式，包含但不仅限于相关海洋监测网站、卫星遥感数据、经典实验数据引用以及实际自行测量。

进一步地，步骤3)中，根据衰减系数在垂直方向上的变化情况进行非均匀分层，对于I类海水c＞0.05m^-1、II类海水c＞0.10m^-1或III类海水c＞0.15m^-1，即衰减系数较大且变化剧烈范围内多分层；I类海水c≤0.05m^-1、II类海水c≤0.10m^-1或III类海水c≤0.15m^-1，即衰减系数较小且变化平缓范围内少分层；各分层的吸收、散射、衰减系数都是在该分层的深度范围内的对应系数的平均值。

信道链路非均匀分层：根据海水中叶绿素浓度或总衰减系数的垂直分布情况，信道分层包含但不仅限于非均匀情况、不限制参考标准(叶绿素浓度或系数、散射光谱)，不限制深度。

进一步地，基于非均匀分层的海水信道，采用蒙特卡洛法建立水下光传输模型。

本发明采用的技术方案包括三部分：

一是海水中各组成介质浓度的获取，即叶绿素浓度或其他影响光吸收、散射的物质浓度的获取，由于海水信道垂直链路的组成成分浓度分布差异较大，各介质浓度在垂直方向上的分布随深度的不同而变化，导致海水在垂直链路不同深度处对光的衰减程度不同。在获取垂直方向上影响光传播的海水介质浓度时，具有很大的灵活性，可以通过相关海洋监测网站、卫星遥感数据或者经典实验数据下载，也可以对目标海域进行实际测量(包含但不限于此类方法)；

二是海水信道垂直链路的分层，即将海水视为非均匀介质，根据不同海域、不同深度处的衰减情况，确定通信建模时信道链路的分层间距(海水各深度对应的衰减不尽相同，某一范围浓度大则衰减系数大、浓度小则对应衰减系数小)。对于光衰减的评估标准有两种：

(1)根据垂直方向上的叶绿素浓度建立单参数衰减模型，叶绿素浓度转换为海水垂直方向上的衰减系数；

(2)根据海水垂直方向上的吸收、散射光谱建立衰减模型，总衰减＝吸收系数+散射系数；海水数据获取方法不限，可通过多种方法取得有效数据；

三是建立基于蒙特卡洛方法的非均匀海水信道光传输模型，描述光子到达海水不同深度处的接收光斑分布情况，清晰体现出不同海水介质浓度对光子传输的影响，反映光子在非均匀海水中的传输情况。

根据海水在垂直方向各成分浓度分布的不均匀特性，各成分浓度随深度的不同而变化，视海水为非均匀介质；海水通信链路的分层标准包括基于叶绿素浓度的垂直分布以及垂直方向上的吸收、散射光谱两种，以此对垂直方向上的海水信道进行分层研究。

两种标准的海水数据获取方法不限，可通过相关海洋监测平台或者网站获取、自行实际测量，引用现有实验经典数据等多种方法取得相关数据；根据标准确定通信时信道链路的分层间距，因叶绿素浓度或吸收、散射光谱随深度的不同而变化，所以可将海水对光的衰减视为深度的函数，依据衰减程度随深度的变化情况(浓度大衰减大、浓度小衰减小)，设置不同深度处对应不同的衰减情况；通信系统参数的调整是根据非均匀分层信道得到更加贴合实际的光束传输特性，用其指导通信系统发射功率、接收机口径等参数的调整，从而实现可靠的水下无线光通信。

本发明所述垂直链路非均匀分层包括但不限于两种标准：

1.叶绿素浓度标准：由海水中动植物光合作用产生叶绿素，其受光照和温度影响造成垂直方向上浓度分布不均。垂直方向上叶绿素的浓度分布间接反映该方向的光衰减特性(单参数衰减模型)，则叶绿素浓度高的范围光衰减系数较大，浓度低的范围光衰减系数较小，具体分层数根据具体海域获取的数据而定；

2.衰减系数标准：垂直路径上的海水吸收、散射系数主要由纯水、悬浮体和溶解物质这三种成分的影响，即通过物质的分布浓度得到垂直方向上吸收和散射光谱。可通过吸收和散射的垂直分布情况依据总衰减＝吸收系数+散射系数确定非均匀分层。

本发明的技术特点和显著效果为：

一方面，本发明提出垂直路径的海水光学信道为非均匀介质，且海域环境和深度范围具有灵活可变性。与海水光学特性为某一特定常数相比，海水视为非均匀介质的信道建模能够更加精确地反映真实海洋环境下的光信道链路特性，降低水下光传播路径上的衰减误差；

另一方面，本发明基于海水中各成分浓度的垂直分布差异较大提出两种标准进行链路的非均匀分层。两种参考标准分别为：

(1)依据海水光传播垂直路径上的叶绿素浓度分布；

(2)依据海水光传播垂直路径上的吸收、散射光谱分布。

两种标准数据的获取方法具有多样性，可通过相关海洋监测平台或者网站下载、自行实际测量目标海域数据或引用现有实验经典数据等多种方法的一种获得；基于两种参考标准决定分层间距，对海水中垂直通信链路进行非均匀分层，精确构建海水垂直路径上的光传输模型，能够指导通信系统发射功率、接收机口径等参数的调整，为水下终端之间或者水下终端与水上终端之间无线光通信系统的实际设计提供充分指导。

附图说明

图1为本发明数据获取方式不限制的非均匀海水垂直链路分层流程图；

图2为本发明以表1中数据处理得到深度为200m的叶绿素浓度垂直分布图，海域、时间、深度不限。

图3为本发明参考标准a)以表1中数据得到的深度为200m的海水衰减系数，包括吸收、散射以及总衰减系数的垂直分布图，海域、时间、深度不限。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明内容作详细描述，所述实施例的实例在附图中示出，且附图中描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例：

参见图1，对垂直非均匀海水的链路分层流程进行说明，获取海水中的叶绿素浓度主要为了清晰体现海水介质的非均匀特性，为海水的非均匀分层提供有力的理论支撑，根据分层标准对通信链路进行合理分层。

一种非均匀海水的垂直信道链路分层方法，包括如下步骤：

(1)数据获取方法包括但不限于海洋观测网站，以Argo数据观测网站的数据为例，获取某II类海域垂直链路的叶绿素浓度，如表1所示，本实施例所需数据是第四列的海水垂直深度和第五列对应深度处的叶绿素浓度，由表1以及图2均可以明显看出，从海面到水下30m深度范围内叶绿素浓度较小且变化趋势稳定；在海水深度为30～80m、80～120m范围内叶绿素浓度急剧变化且在海水深度80m附近达到最大值。叶绿素浓度的垂直分布情况清晰表明，海水不可再简单地视为均匀介质。对于海水垂直链路的信道建模，若仍将海水视为均匀介质，即海水中的光衰减系数设置为定常数，无法贴合实际地模拟水下通信链路中的真实海水环境，导致海水信道中光传输路径的信号衰减误差增大；

表1 2019年7月1日Argo数据中某海域深度200m的部分剖面资料

(2)根据海水中垂直链路的叶绿素浓度分布得到非均匀海水的光衰减垂直分布特性，具体如下：本实施方案中选取链路距离为200m的海水信道环境下，以表1中获取的叶绿素浓度垂直分布，根据c＝a+b＝0.078+0.0845(Chl)^0.67224得到非均匀海水的光衰减垂直分布特性即海水吸收、散射以及总衰减的垂直分布如图3所示；

(3)根据海水中垂直链路的衰减情况对信道链路进行非均匀分层，具体如下：由图3可知，从海面到水下30m深度范围内c＜0.10m^-1即衰减系数较小且变化趋势稳定，因此，0-33.3m范围内进行2次分层；在海水深度约为30～120m范围内衰减系数急剧变化且在海水深度80m附近达到最大值c≈0.176m^-1，在此范围内多分层且在80m附近处密集采样将链路分为9层；最后125.6～200m范围内衰减系数缓慢变化且越来越小，此范围内海水链路分为3层，由此根据不同深度对应的叶绿素浓度计算出来衰减系数而进行的非均匀分层，将200m水深进行了14次分层，各分层的吸收、散射、衰减系数都是在该分层的深度范围内的对应系数的平均值，得到的最终分层结果如表2所示：

表2分层后得到的不同深度范围内的衰减情况

(4)基于非均匀分层链路的海水信道，采用蒙特卡洛法模拟光子达到海水不同深度时的光子传输特性，建立非均匀海水信道环境下的光传输模型。

本发明采用的非均匀间隔分层，在链路距离200m内不同深度处设置不同的衰减系数，实现了对光传输路径不同衰减程度的链路范围精确分层。

最后，基于非均匀分层的海水信道，采用蒙特卡洛法模拟光子到达不同海水深度处信道链路的光传输特性，为水下终端之间或者水下终端与水上终端间可靠稳定的通信以及实际通信系统参数的设置与调整提供一定的理论指导。

综上所述，本发明提出了一种垂直非均匀海水的信道链路分层方法，将水下无线光通信链路视为非均匀介质，根据海水垂直方向光传输链路的叶绿素浓度或吸收、散射光谱进行垂直链路非均匀分层。本发明紧密结合了垂直方向上海水主要成分的浓度变化，可以根据感兴趣的目标海域(包含但不限于某类海域)的不同海水深度、不同时间(春、夏、秋、冬)下进行数据的获取，且数据获取方法灵活多变，充分反映了海水光学特性随着时间和空间的不同而实时变化的情况。通过结合实际的海水信道环境对海水介质进行非均匀分层，使得垂直方向上的光衰减链路建模更加精确可靠，为水下通信平台的系统设计、空中与水下目标间的通信以及光学器件研究提供重要参考。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种非均匀海水的垂直信道链路分层方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)获取海水垂直方向上的叶绿素浓度或者海水中的吸收、散射光谱，视该垂直方向上垂直链路上的海水为非均匀介质，该链路不限制通信方向即上行或下行通信方向、不限制信道链路形式即垂直或斜程链路形式、不限制通信距离、不限制通信平台；

2)基于标准a)或标准b)得到非均匀海水的光衰减垂直分布特性；

标准a)：处理数据为垂直方向上的叶绿素浓度，则基于叶绿素浓度的垂直分布，建立叶绿素单参数衰减模型，得到光谱漫射衰减系数的垂直分布；

标准b)：处理数据为吸收、散射光谱，则基于海水中纯水、黄腐酸、腐殖酸和叶绿素的吸收光谱以及海水中纯水、大小颗粒物的散射光谱，得到海水垂直方向上的总衰减，即吸收光谱与散射光谱之和；

3)根据海水中垂直链路的衰减情况对信道链路进行非均匀分层。

2.根据权利要求1所述的非均匀海水的垂直信道链路分层方法，其特征在于，所述标准a)包括如下步骤：

a-1)获取海水垂直方向上的叶绿素浓度Chl(单位为mg/m^-3)；

a-2)将叶绿素浓度Chl转化为相对应的漫射衰减系数K_d：

K_d＝0.04454+0.04829×(Chl)^0.67224

a-3)根据海水的吸收、散射系数(单位为m^-1)与漫射衰减系数K_d的关系，计算吸收系数a和散射系数b：

a＝0.75K_d，b＝K_d

a-4)总衰减系数c则为吸收、散射系数之和：

c＝a+b

＝0.078+0.0845(Chl)^0.67224。

3.根据权利要求1所述的非均匀海水的垂直信道链路分层方法，其特征在于，所述标准b)包括如下步骤：

b-1)海水吸收光谱a(λ)如下式所示：

式中λ为波长，400～700nm；a_w表示纯水的吸收光谱，

表示黄腐酸的吸收光谱，

表示腐殖酸的吸收光谱，

表示叶绿素的吸收光谱，且

A(λ)和B(λ)是经验常数，a_w和

单位为m^-1；k_h和k_f为两种黄腐酸的指数系数，其中k_h＝0.0189nm^-1，k_f＝0.01105nm^-1；

为海水表层叶绿素浓度，单位mg/m³；C_h为黄腐酸浓度，C_f为腐殖酸浓度，C_chl为叶绿素浓度，单位mg/m³，且有如下关系：

C_h＝1.174098C_chlexp(0.12327C_chl)

C_f＝0.19334C_fexp(0.12343C_f)；

b-2)海水的散射光谱表示为：

式中b_w(λ)为纯水的散射光谱，单位m^-1；C_b为小颗粒的浓度，单位g/m³；

为散射光谱，单位m²/g；C_s为大颗粒的浓度，

为散射光谱；纯水的散射系数光谱表达式：

b_w(λ)＝0.005826×(400/λ)^4.322

大颗粒和小颗粒的散射光谱及浓度关系式如下：

C_b＝0.01739C_chlexp(0.1163C_chl)，C_s＝0.76284C_chlexp(0.03092C_chl)；

b-3)得到吸收光谱a(λ)和散射光谱b(λ)后，根据c(λ)＝a(λ)+b(λ)得到海水垂直方向上的总衰减：

4.根据权利要求1所述的非均匀海水的垂直信道链路分层方法，其特征在于，步骤3)中，根据衰减系数在垂直方向上的变化情况进行非均匀分层，对于I类海水c＞0.05m^-1、II类海水c＞0.10m^-1或III类海水c＞0.15m^-1，即衰减系数较大且变化剧烈范围内多分层；I类海水c≤0.05m^-1、II类海水c≤0.10m^-1或III类海水c≤0.15m^-1，即衰减系数较小且变化平缓范围内少分层；各分层的吸收、散射、衰减系数都是在该分层的深度范围内的对应系数的平均值。

Images