水下光学无线通信的海水信道性质研究

　　本文首先海水信道特征概要进行简单描述,水下光学无线通信中的海水信道特征主要包括海水信道具有吸收光数据信号的特征以及海水信道具有散射光数据信号的特征,这些特征导致光在海水中传输时,出现衰减现象。然后根据这些特征建立了水下光学无线通信中的海水信道特征模型,包括一个衰减参数函数、光吸收函数、光散射函数以及经过衰减后接收光数据总能量。

　　潜艇在海水中运行时,需要与传感器以及水面舰艇指挥中心等进行沟通联系,这就需要使用到在海水中通信这一技术,在海水中进行通信与在陆地上有很大区别。利用海水作为信息传输的通道进行数据传播的途径,就是海水信道。近年来,水下声学或光学数据传感采集探测技术发展迅速。

　　相比水下声学通信来说,水下光学通信具有受周围环境影响小、传输数据量大、传输耗时少以及载波频率高等优点。由于光波的这些优点使得光学无线通信越来越广泛地应用于水下通信中,在光学无线通信中,影响通信功效的重要因素就是海水信道的光学特征。本文首先对水下光学无线通信中的海水信道特征概要进行简单描述,然后建立水下光学无线通信中的海水信道特征模型,最后对基于水下光学无线通信海水信道特征模型进行仿真修正分析。

　　1.水下光学无线通信中的海水信道特征概要

　　水下光学无线通信中的海水信道特征主要包括海水信道具有吸收光数据信号的特征以及海水信道具有散射光数据信号的特征。与光数据信号在空气中传播相比较,光数据信号在海水中的传播过程非常复杂,这主要是由于海水信道中存在很多影响光传输的不确定性因素。这些不确定因素导致海水信道呈现出吸收光以及散射光的特征,海水信道对光的吸收及散射导致光数据信号在海水中传播时出现衰减现象,从而影响光数据信号在海水信道中的传播。

　　海水信道具有吸收光的特征:海水信道之所以能够吸收光,是因为海水中所含有的物质成分能够吸收光。而海水中所包含的成分是非常复杂的,概括起来可以分为水分子、悬浮体、无机溶解质以及各种有机物等,但是不同海域其包含的成分各有不同,即使相同海域不同位置包含的物质成分也有所不同。海水是一种非常复杂的生物、物力以及化学等相结合的系统,而海水中含有的一些物质对光具有吸收性,例如营光合作用的藻类生物以及黄色物质等。

　　海水信道具有散射光的特征:由于海水中包含的物质成分的复杂性,也使得海水信道对光数据信号的散射性非常复杂。海水中能够对光进行散射的物质主要包括:水分子、悬浮粒子以及透明物质等。水分子对光的散射性符合瑞利散射特征,悬浮粒子对光的散射性符合米氏散射特征,米氏散射的大小取决于海水中悬浮粒子的浓度以及粒子的大小。而透明物质对光的散射性是由于透明物质能够折射光所引发的。

　　2.水下光学无线通信中的海水信道特征模型

　　根据水下光学无线通信中的海水信道特征,可以建立一个关于海水信道特征的模型。我们已经知道光学无线通信的海水信道特征主要包括吸收光以及散射光,从而引发光在海水中传播时出现衰减现象。所以我们假设光在海水中的衰减参数为D,被吸收参数为A,被散射参数为S,光的波长为W,那么 。这说明,光数据信号在海水中的衰减也受到光波长的影响,衰减参数、吸收参数以及散射参数都是光波长的函数。

　　下面我们将分别对光吸收函数、光散射函数以及经过衰减后接收光数据总能量进行分析。

　　光吸收函数:在海水中,能够吸收光数据信号的物质分子很多,在此,我们先将主要的吸收光的因素归结起来,然后再进行函数修正分析。

　　海水中吸收光的物质主要包括:营光合作用的藻类以及CDOM(有色可溶性有机物)等,而营光合作用的藻类中,主要是利用叶绿素来吸收光。此外,还海水中能够吸收光的因素还包括海水以及有机碎屑以及矿物颗粒等。所以我们假设水的吸收参数为WA,叶绿素的吸收参数为C,CDOM的吸收参数为CD,有机碎屑以及矿物颗粒的吸收参数为M。其中C(W)等于叶绿素总浓度的修正值除以浓度常数修正值乘以叶绿素光谱系数。

　　光散射函数:海水中的水分子、悬浮粒子以及透明物质等都可以对光进行散射作用。而散射规律主要包括米氏散射和瑞利散射。瑞利散射发生的条件是海水粒子的直径小于光波长,其特点是波长的四次方与散射强度成反比。米氏散射较为复杂,粒子直径与光波长的差距越大,散射分布越复杂。根据粒子直径,我们可以认为光散射函数是由水分子参数、叶绿素参数、小颗粒参数以及大颗粒参数组成。

　　经过衰减后接收光数据总能量:光数据信号从传输端发出后,经过海水信道,受到海水传播中光衰减的影响,并且也会受到传输端与接收端孔径引发的衰减效力,最后才传输到接收端。经过衰减后接收光数据总能量是发射功率、几何衰减、海水总衰减参数D(W)以及传输距离的函数。

　　3.基于水下光学无线通信海水信道特征模型仿真修正分析

　　任何一个模型在建立起来后,都需要进行仿真验证以及对函数进行修正等。基于水下光学无线通信海水信道特征模型仿真分析主要包括:在水下光学无线通信中海水信道特征函数仿真验证以及传播误码率分析。我们选取一个海域的相关数据以及光传播的相关数据,然后将这些数据代入模型函数中,看最后得出的结果与实际接收到的数据量的区别,然后根据这一区别进行传播误码率分析以及函数修正,修正后再选取另一个海域与光传播的数据,进行仿真验证,直到仿真实验后的结果与实际量的差距在误差允许范围之内后为止。

　　4.结论

　　影响光吸收函数的因素主要包括:水的吸收参数、叶绿素的吸收参数、CDOM吸收参数以及有机碎屑矿物颗粒吸收参数等。影响光散射函数的因素主要包括:水分子参数、叶绿素参数、小颗粒参数以及大颗粒参数等。最后对基于水下光学无线通信海水信道特征模型进行仿真修正分析。基于水下光学无线通信海水信道特征模型仿真分析主要包括:在水下光学无线通信中海水信道特征函数仿真验证以及传播误码率分析。

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文章名称： 水下光学无线通信的海水信道性质研究

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