水下无线光通信系统的信道特性研究

摘要

随着对海洋探索的深入，水下机器人和各种传感器等设备广泛应用于海洋的研究和开发中，这些都需要良好的水下通信技术提供支撑。与水声通信和水下电磁波通信相比，水下无线光通信具有可用带宽大、保密性好、功耗低和体积小的优点，成为极具前景的技术。
　　光信号在海水中传播时会受到海水的吸收和散射，造成能量的衰减和信号波形的失真，对通信系统通信距离和带宽等性能造成影响。本文旨在研究光在海水中的传输信道，并揭示信道特性与光源、水体等各种参数间的联系，从而为优化水下无线光通信系统提供理论指导。
　　本文从海水的光学性质出发，采用蒙特卡洛方法模拟光在海水中的传播轨迹，对水下光信道进行仿真计算。模拟仿真了清洁海水、沿岸海水和港口海水三种典型的水质，激光和发光二极管(LED)两种常用的光源，并设置了多种通信距离和光接收器参数。分析了水下光信道的强度特性、脉冲展宽特性和频域特性，针对各种参数对信道的影响进行了系统研究，并依此给出了对水下无线光通信系统的设计建议。
　　针对目前普遍认为蓝绿光更适合水下通信的情况，提出红光也可应用于水下通信，采用蒙特卡洛方法计算了红光的信道，并与蓝绿光进行了比较，发现了红光在浑浊的海水中具有更大的带宽，在特定的环境中能发挥更好的性能。针对蒙特卡洛方法运算时间长的缺点提出一种加快仿真速度的方法，该方法通过分析水下光信道的实际特点得出，并且通过仿真计算和实验验证了该方法具有较好的可靠性并能极大缩短模拟仿真所需要的时间。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外相关研究进展

1．2．1 水下无线光通信

1．2．2 水下光信道特性研究

1．3 研究内容

2 海水的光学性质

2．1 海水的固有光学特性

2．2 吸收

2．2．1 纯海水的吸收

2．2．2 有色溶解有机物的吸收

2．2．3 浮游植物的吸收

2．2．4 海水的吸收模型

2．3 散射

2．3．1 海水的散射谱

2．3．4 散射相函数

2．4 海水信道研究方法

2．5 小结

3 水下光信道的蒙特卡洛模拟

3．1 蒙特卡洛方法概览

3．2 仿真流程

3．3 产生光子

3．4 光子的运动

3．4．1 确定步长

3．4．2 更新权重

3．4．3 确定散射方向

3．4．4 改变光子位置

3．4．5 改变光子方向

3．4．6 光子的终止和接收

3．5 小结

4 海水的光信道特性

4．1 影响海水光信道的因素

4．2 强度特性

4．3 脉冲时域响应和频域响应

4．3．1 时域响应

4．3．2 频域响应

4．4 波长选择

4．5 小结

5 大衰减长度信道的快速仿真方法

5．1 大衰减长度的信道特征

5．1．1 接收强度特征

5．1．2 时域特征

5．2 接收强度分布实验

5．3 快速仿真计算方法

5．4 小结

6 总结与展望

6．1．总结

6．2．展望

参考文献

攻读硕士学位期间所取得的科研成果