CN117692084A - 一种考虑后向散射的跨介质激光信道建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光跨介质通信技术领域，具体涉及一种考虑后向散射的跨介质激光信道建模方法，能够模拟光信号传播过程中非球形粒子的后向散射，本发明尤其适用于浑浊海水、强风浪环境的海‑空跨介质光通信，以及对光的接收精度要求较高的远距离通信场景。所述方法包括以下步骤：步骤一：构造RH‑G散射相函数；步骤二：建立后向散射跨介质激光信道模型。所述建立后向散射跨介质激光信道模型方法由初始输入模块、迭代更新模块、更新输出模块和叠加模块四部分构成。所述初始输入模块包括初始坐标和初始方向余弦，所述迭代更新模块包括RH‑G散射相函数计算散射角、确定行进步长和计算方位角，所述更新输出模块包括更新坐标和更新方向余弦。
Description
技术领域
本发明涉及光通信中的跨介质激光传输技术领域，提供了一种考虑后向散射的跨介质激光信道建模方法，通过建立考虑非球形粒子后向散射的散射相函数，更细致地模拟了光子与颗粒碰撞的散射过程，可以更准确地预测光的强度分布，进而实现激光上行发射的高精度通信。本发明尤其适用于浑浊海水、强风浪环境的海-空跨介质光通信，以及对光的接收精度要求较高的远距离通信场景。
背景技术
在跨介质通信领域，例如跨越海洋与空气界面的跨介质通信，激光通信具有通信容量大、保密性强、结构轻便等优点，因而被广泛应用。然而，在水下上行发射的过程中，激光从水下发射、穿过海-空界面，并到达海平面上方，这会引起多种复杂的光学效应，其中包括前向散射、后向散射、折射现象等等。当光通信应用在平静海面、清洁海水中或对光强测量精度要求不高的场景(如流媒体信息传输)，仅需考虑前向散射、光子吸收这些情况。然而在浑浊海水及强风浪环境下，海洋中的各种悬浮颗粒(如硅酸盐、叶绿素等)会增强光束的后向散射，后向散射将成为跨海空界面传输中的重要物理过程，对光的接收效率有非常大的影响。因此，为推进跨介质光通信在实际海-空传输中的应用，本发明建立了考虑后向散射的信道传输模型，对海-空信道给出更准确、完善地描述。
一般认为在平静海面、清洁海水中，与传输信号的光子碰撞的粒子是理想化的球形粒子，这种粒子主要产生前向散射，因此在信道建模中主要考虑前向散射即可确定散射相函数，进而建立较为简单的信道模型。然而实际海-空信道中并非如此，在风浪较强的情况下或混浊的海水中存在的大多是非球形粒子，而非球形粒子是引起后向散射的主要原因，因此仅考虑前向散射不足以准确描述光信号的传输过程。因此，本发明在仅考虑前向散射的Henyey-Greenstein(H-G)散射相函数基础上引入非球形粒子后向散射过程，利用不对称因子和瑞利散射相函数对H-G散射相函数进行修正，得到改进后的散射相函数——Rayleigh Henyey-Greenstein(RH-G)。而后，基于所建立的RH-G散射相函数，提出考虑后向散射的跨介质激光信道建模方法，用于准确描述跨介质光通信的信号传输过程，尤其适用于浑浊海水、强风浪环境的跨介质光通信，以及对光的接收精度要求较高的远距离通信场景。
发明内容
本发明旨在提供一种考虑后向散射的跨介质激光信道建模方法，在考虑了光子前向散射的基础上考虑了与实际情况更贴近的后向散射过程，能够更精确地描述光信号在复杂水下环境和海-空界面的传输行为。
下面结合附图对本发明进行说明，具体包括以下步骤：
步骤一：构造RH-G散射相函数
散射相函数用于研究光子与介质中颗粒的相互作用，能够描述信道的散射特性，具体为将某个方向的入射光子散射到其他方向的概率，取值范围在0到1之间。瑞利散射相函数假设光子在碰撞到粒子时散射方向是均匀分布的，其相函数表示为：
其中θ是散射角。
在简化场景中，认为平静海面、清洁海水中的颗粒多为球形粒子，因此主要考虑前向散射，常用表达式简单、数值计算方便的H-G散射相函数：
其中g为不对称因子，表示散射的非均匀分布程度，通常采用实验取得。虽然H-G散射相函数可以较好地模拟前向散射，但是不能正确模拟后向散射，并且当不对称因子g趋向于0(即不存在非均匀散射)时无法还原成瑞利散射相函数。
为考虑实际复杂环境中非球形粒子产生的后向散射，现利用不对称因子和瑞利散射相函数对H-G散射相函数进行修正，得到改进的散射相函数——RH-G散射相函数：
RH-G散射相函数在g趋向于0时与瑞利散射相函数一致；当g趋向于1时，近似于H-G相函数。由此，即可通过RH-G散射相函数计算海-空跨介质信道中光子与粒子发射碰撞时的散射角θ，进而带入迭代计算建立信道模型。
步骤二：建立后向散射跨介质激光信道模型
建立光通信信道模型，实质上就是由光子初始输入确定光子更新输出的过程。由于光通信是利用数个光子在信道中的随机运动得到通信信号，因此需要利用光子的统计特性和其在信道中的散射特性对初始输入进行反复迭代更新，最终得到更新输出。建立后向散射跨介质激光信道模型方法如图1所示，所述方法由初始输入模块、迭代更新模块、更新输出模块和叠加模块四部分构成。其中，初始输入模块包括初始坐标和初始方向余弦，迭代更新模块包括RH-G散射相函数计算散射角、确定行进步长和计算方位角，更新输出模块包括更新坐标和更新方向余弦。在每次迭代中，通过叠加模块，初始输入模块中的初始坐标和初始方向余弦被迭代更新模块不断修正，最终得到更新输出模块中的更新坐标和更新方向余弦。通过多次迭代，即可建立考虑后向散射的跨介质激光信道模型。
(1)初始输入模块
初始坐标表示为光子初始位置到坐标原点的距离r0与初始方位角ψ0的函数：
初始方向余弦为初始散射角θ0与初始方位角ψ0的函数：
(2)迭代更新模块
迭代更新中的散射角θ由RH-G散射相函数确定：
光子的行进步长l由自由程概率分布确定：
p(l)＝ue-ul
其中p(l)为与行进步长l有关的概率，取值范围在0到1之间。
u＝a+b
其中a为吸收系数，b为散射系数。
方位角ψ是随机角度：
ψ＝2πξ
其中ξ为0-1之间的随机数。
(3)更新输出模块和叠加模块
更新输出模块中，当给定散射角θ和方位角ψ后，即可利用当前时刻的坐标(x,y,z)和方向余弦(μx,μy,μz)迭代确定下一个时刻的更新坐标(x',y',z')和更新方向余弦(μ'x,μ'y,μ'z)：
x'＝x+μxl
y'＝y+μyl
z'＝z+μyl
对于海-空跨介质光通信，当光子在不断前进的过程中从海洋进入空气时，由于两种介质的折射率不同，一部分光线发生折射，一部分光线会被反射回去，此时光子在海-空界面的折反射方向即为更新方向余弦：
t＝mw1
q＝w1p-w2
其中下标1代表第一种介质(海水)、下表2代表第二种介质(空气)，折射角β可根据几何关系及斯涅尔定理求得，向量n＝(nx,ny,nz)表示海洋表面的法线方向向量。
更新迭代根据光子权重的大小进行终止判断，令光子在第k个时刻的权重为Wk，下一时刻光子的权重为Wk+1，根据以下关系改变每次迭代的光子权重：
当光子的权重下降到所设定的阈值时，迭代终止。
经上述计算，迭代更新模块中的散射角、行进步长和方位角即可叠加到初始输入的初始坐标和初始方向余弦上，最终得到更新输出模块中的更新坐标和更新方向余弦。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)在前向散射的基础上，考虑了后向散射问题，提出跨介质光通信的RH-G散射相函数，能够更精确地建模光子与实际颗粒的碰撞散射过程，进而对信道散射特性给出更准确、完善的描述，提高跨介质光通信信道建模精度；
(2)在RH-G散射相函数的基础上，提出建立后向散射跨介质激光信道模型，用于准确描述跨介质光通信的信号传输过程，尤其适用于浑浊海水、强风浪环境的跨介质光通信，以及对光的接收精度要求较高的远距离通信场景。
附图说明
图1为建立后向散射跨介质激光信道模型方法结构图；
图2为RH-G散射相函数与H-G*散射相函数的均方根误差对比图(a)椭球形颗粒(b)有限长圆柱体颗粒。
具体实施方式
下面给出本发明的一次具体实施，如下：
执行步骤一：构造RH-G散射相函数
散射相函数用于研究光子与介质中颗粒的相互作用，能够描述信道的散射特性，具体为将某个方向的入射光子散射到其他方向的概率，取值范围在0到1之间。瑞利散射相函数假设光子在碰撞到粒子时散射方向是均匀分布的，其相函数表示为：
其中θ是散射角。
在简化场景中，认为平静海面、清洁海水中的颗粒多为球形粒子，因此主要考虑前向散射，常用表达式简单、数值计算方便的H-G散射相函数：
其中g为不对称因子，表示散射的非均匀分布程度，通常采用实验取得。虽然H-G散射相函数可以较好模拟前向散射，但是不能正确模拟后向散射，并且当不对称因子g趋向于0(即不存在非均匀散射)时无法还原成瑞利散射相函数。
为考虑实际复杂环境中非球形粒子产生的后向散射，现利用不对称因子和瑞利散射相函数对H-G散射相函数进行修正，得到改进的散射相函数——RH-G散射相函数：
RH-G散射相函数在g趋向于0时与瑞利散射相函数一致；当g趋向于1时，近似于H-G相函数。由此，即可通过RH-G散射相函数计算海-空跨介质信道中光子与粒子发射碰撞时的散射角θ，进而带入迭代计算建立信道模型。
执行步骤二：建立后向散射跨介质激光信道模型
建立光通信信道模型，实质上就是由光子初始输入确定光子更新输出的过程。由于光通信是利用数个光子在信道中的随机运动得到通信信号，因此需要利用光子的统计特性和其在信道中的散射特性对初始输入进行反复迭代更新，最终得到更新输出。建立后向散射跨介质激光信道模型方法如图1所示，所述方法由初始输入模块、迭代更新模块、更新输出模块和叠加模块四部分构成。其中，初始输入模块包括初始坐标和初始方向余弦，迭代更新模块包括RH-G散射相函数计算散射角、确定行进步长和计算方位角，更新输出模块包括更新坐标和更新方向余弦。在每次迭代中，通过叠加模块，初始输入模块中的初始坐标和初始方向余弦被迭代更新模块不断修正，最终得到更新输出模块中的更新坐标和更新方向余弦。通过多次迭代，即可建立考虑后向散射的跨介质激光信道模型。
(1)初始输入模块
初始坐标表示为光子初始位置到坐标原点的距离r0与初始方位角ψ0的函数：
初始方向余弦为初始散射角θ0与初始方位角ψ0的函数：
(2)迭代更新模块
迭代更新中的散射角θ由RH-G散射相函数确定：
令不对称因子g＝0.924。
光子的行进步长l由自由程概率分布确定：
p(l)＝ue-ul
其中p(l)为与行进步长l有关的概率，取值范围在0到1之间。
u＝a+b
令吸收系数a＝0.24624，散射系数b＝1.448363。
方位角ψ是随机角度：
ψ＝2πξ
其中ξ为0-1之间的随机数。
(3)更新输出模块和叠加模块
更新输出模块中，当给定散射角θ和方位角ψ后，即可利用当前时刻的坐标(x,y,z)和方向余弦(μx,μy,μz)迭代确定下一个时刻的更新坐标(x',y',z')和更新方向余弦(μ'x,μ'y,μ'z)：
x'＝x+μxl
y'＝y+μyl
z'＝z+μyl
对于海-空跨介质光通信，当光子在不断前进的过程中从海洋进入空气时，由于两种介质的折射率也不同，一部分光线发生折射，一部分光线会被反射回去，此时光子在海-空界面的折反射方向即为更新方向余弦：
t＝mw1
q＝w1p-w2
其中下标1代表第一种介质(海水)、下表2代表第二种介质(空气)，折射角β可根据几何关系及斯涅尔定理求得，向量n＝(nx,ny,nz)表示海洋表面的法线方向向量。
更新迭代根据光子权重的大小进行终止判断，令光子在第k个时刻的权重为Wk，下一时刻光子的权重为Wk+1，根据以下关系改变每次迭代的光子权重：
当光子的权重下降到所设定的阈值时，迭代终止，阈值设定为10-4。
为证明本发明的效果，将与H-G*散射相函数进行对比。H-G*散射相函数是目前考虑后向散射效果较好的散射相函数模型：
因此将RH-G散射相函数与H-G*散射相函数的均方根误差相比较，验证本发明的优势。
图2为RH-G散射相函数与H-G*散射相函数的均方根误差对比图，RMSE为“均方根误差”的缩写。实施例中对比了椭球形例子(图a)和有限长圆柱形粒子(图b)两种颗粒形状对应的散射RMSE情况，其中椭球形粒子的长短轴比(a/b)和有限长圆柱形粒子的径长比(D/L)的变化范围为0.3到3.0，间隔0.1。
在a/b和D/L小于0.5时，RH-G散射相函数的RMSE大于H-G*散射相函数的RMSE，说明此时H-G*散射相函数更精确，这是由于在小于0.5时，粒子的后向散射不明显，而RH-G相函数提高了后向散射部分，所以RH-G相函数会出现较大的RMSE。当a/b和D/L大于0.5时，H-G*散射相函数的RMSE一直小于H-G*散射相函数的RMSE，而且随着a/b和D/L的增大，二者的RMSE呈先增大后减小的趋势；当a/b和D/L在1.5附近出现RMSE峰值，波峰两侧呈现小幅度的波动。总体来看，在粒子非球形特性越来越强的情况下，RH-G散射相函数的RMSE小于H-G*散射相函数的RMSE，说明此时非球形粒子的后向散射比较明显，RH-G散射相函数更具备描述后向散射的能力，建模精度更高。
上面所述仅是本发明的一种较优的实施方法，但是本发明所保护的并不仅仅局限于此。在本发明所揭示的技术范围内，任何熟悉该领域的技术人员都可以轻易想到进行变换或替代措施，并且这些变换或替代措施应当被包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种考虑后向散射的跨介质激光信道建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：构造RH-G散射相函数；
步骤二：建立后向散射跨介质激光信道模型。
2.根据权利要求1所述的一种考虑后向散射的跨介质激光信道建模方法，其特征在于，所述步骤一：构造RH-G散射相函数
散射相函数用于研究光子与介质中颗粒的相互作用，能够描述信道的散射特性，具体为将某个方向的入射光子散射到其他方向的概率，取值范围在0到1之间。瑞利散射相函数假设光子在碰撞到粒子时散射方向是均匀分布的，其相函数表示为：
其中θ是散射角；
在简化场景中，认为平静海面、清洁海水中的颗粒多为球形粒子，因此主要考虑前向散射，常用表达式简单、数值计算方便的H-G散射相函数：
其中g为不对称因子，表示散射的非均匀分布程度，通常采用实验取得；虽然H-G散射相函数可以较好地模拟前向散射，但是不能正确模拟后向散射，并且当不对称因子g趋向于0(即不存在非均匀散射)时无法还原成瑞利散射相函数；
为考虑实际复杂环境中非球形粒子产生的后向散射，现利用不对称因子和瑞利散射相函数对H-G散射相函数进行修正，得到改进的散射相函数——RH-G散射相函数：
RH-G散射相函数在g趋向于0时与瑞利散射相函数一致；当g趋向于1时，近似于H-G相函数；由此，即可通过RH-G散射相函数计算海-空跨介质信道中光子与粒子发射碰撞时的散射角θ，进而带入迭代计算建立信道模型。
3.根据权利要求1所述的一种考虑后向散射的跨介质激光信道建模方法，其特征在于，所述步骤二：建立后向散射跨介质激光信道模型，包括：
初始输入模块、迭代更新模块、更新输出模块和叠加模块四部分；
所述初始输入模块包括初始坐标和初始方向余弦，迭代更新模块包括RH-G散射相函数计算散射角、确定行进步长和计算方位角，更新输出模块包括更新坐标和更新方向余弦；
在每次迭代中，通过叠加模块，初始输入模块中的初始坐标和初始方向余弦被迭代更新模块不断修正，最终得到更新输出模块中的更新坐标和更新方向余弦；
通过多次迭代，即可建立考虑后向散射的跨介质激光信道模型。
4.一种计算机设备，其特征在于，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至3所述的任意一种方法。
5.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至3所述的任意一种方法。
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