水下无线光通信系统信道特性建模方法、电子设备及存储介质

摘要

本发明公开了一种水下无线光通信系统信道特性建模方法，其根据Mie理论，将粒径分布PSD函数的斜率和折射率作为输入，建立散射角为0.1°‑90°范围内的水中粒子体积散射函数；然后将散射角范围分为两个范围，分别对水中粒子体积散射函数进行建模。本发明通过对水生颗粒的各种固有光学性质进行了计算和分析，推导出反向散射比与折射率和可测量的光学参数的关系，改进了体积散射函数，该模型进一步用于计算某些特定海洋和沿海水域的折射率和散射模型，能够更准确的估计光在水下传输的特性。

说明书

技术领域

本发明属于水下无线光通信技术领域，具体涉及一种水下无线光通信系统信道特性 建模方法、电子设备及存储介质。

背景技术

为了满足快速增长的水下人类活动，对高传输速率，大带宽的水下数据通信链路的 需求不断增长。目前，水声通信和射频通信已经广泛用于水下通信。但是用声波进行数据传输时产生的延迟较大且声波在水中的传输速率有限，这限制了水声通信所能传输的数据量。而射频通信，其通信距离和通信速率很难平衡，长距离通信势必会使得通信速 率下降。而无线光通信为水下通信带来了一种可能的解决方案，水下无线光通信相比于 水声通信、射频通信，具有更高的传输带宽、更高的数据速率、更低的链路延时、安全 性高、成本低等优势。

水下无线通信所面对的问题是在水信下道环境中水对光所造成的吸收损耗，光的散 射，以及湍流和气泡等。因此研究水下无线光通信技术系统需重点观测水下信道特性，目前研究光脉冲在水下信道中传播特性的方法是：实验测量和仿真模拟。但是对于海水 的实验测量操作困难，成本高昂，对技术要求高。因此建立水下光脉冲传输特性的仿真 模型格外重要。

目前，研究人员主要采用蒙特卡洛数值方法来仿真水下光场特性，蒙特卡洛方法被 认为是一种通过发送和跟踪大量光子来模拟水下光脉冲传输损失的有效、灵活的方法。但是，目前使用的仿真方法大多采用Henyey-Greenstein(H-G)体积散射函数、 Fouriner-Forand(F-F)体积散射函数等。H-G函数形式简单，但后向散射部分与实际 情况相差较大。而F-F函数虽然与实际结果贴近，但是其是基于一些近似的，与精确解 有偏差且计算复杂，导致通道参数的估计不准确。综上所述，为了更好的匹配真实水下 光场数据，对于水下无线光通信中光信道的仿真中的散射相位函数进行改进，增加所需 的拟合系数，以提高相位函数的精度，这有助于水下光通信系统设计人员更好的设计实 际系统，使更好的海洋观测系统成为可能。

发明内容

技术目的：为了解决水下光场数据仿真不准确的问题，更好的匹配实际应用，本发明提供了一种水下无线光通信系统信道特性建模方法，其改进了传统的散射相位函数， 能够更准确地模拟水下无线光通信中的信道特性。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

一种水下无线光通信系统信道特性建模方法，其特征在于：根据Mie理论，将粒径分布PSD函数的斜率和折射率作为输入，建立散射角为0.1°-90°范围内的水中粒子体 积散射函数；然后将散射角ψ范围分为0.1°≤ψ≤5°和5°≤ψ≤90°，在这两个范围 内分别对水中粒子体积散射函数进行建模，用于模拟水下信道特性；

所述粒径分布PSD函数的斜率根据在不同水域中测得的粒子衰减谱的双曲线斜率计算获得，粒径分布PSD及折射率通过测量获得。

进一步地，具体包括步骤：

S1、确定散射粒子尺寸分布PSD：

假设水下信道中散射颗粒大小分布服从Junge型，粒子分布的概率密度函数F(D)为：

F(D)＝KD

其中，D表示散射颗粒直径，D

S2、后向散射率B

利用最小二乘回归算法，将折射率n′和PSD斜率ξ作为输入，推导出一个计算后向散射率B

S3、散射相位函数的建模：

散射角范围为0.1°≤ψ≤5°时，体积散射相位函数由下式建模：

散射角范围为5°≤ψ≤90°，体积散射相位函数由下式建模：

式(3)中，

P

其中，a、b、c均为Mie散射系数，x＝ξ-3，y＝n-1，m＝1,2,3，d、e、f、 g、i、j、k、l、o、p、q、y均表示拟合系数。

进一步地，所述体积散射函数β(cosψ)由以下步骤获得：

第一步、计算散射振幅函数S

其中，a

第二步、由散射振幅函数S

F(α)为概率密度函数。

进一步地，所述步骤S2中，当折射率n′位于1.02到1.3之间，D

对于海洋环境中，ξ取值在3到5的范围内，后向散射率与n的函数表示为下式：

式(4)中：

P

其中，m＝1,2；a

一种电子设备，其包括处理器、存储介质以及计算机程序，所述计算机程序存储于存储介质中，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的水下无线光通信 系统信道特性建模方法。

一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的水下无线光通信系统信道特性建模方法。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明具有如下技术效果：

在本发明中，对水生颗粒的各种固有光学性质进行了广泛的数值计算。推导了反向 散射比与折射率和可测量的光学参数的关系，改进了体积散射函数，该模型进一步用于计算某些特定海洋和沿海水域的折射率和散射模型，给出了一种更容易测量光学参数体折射率的方法，建立了新的体积散射函数，数学形式不复杂，比以往的技术更准确的估 计光在水下传输的特性。对在海洋光学和水下光学的研究，特别是水下无线光通信系统 的水下成像和信道建模中具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的水下无线光通信系统信道特性建模方法的流程图；

图2为本发明的水下衰减模型的示意图；

图3为体积散射函数的定义的示意图；

图4为不同PSD斜率下，后向散射率随折射率变化的示意图；

图5为系数P

具体实施方式

本发明根据Mie理论，将粒径分布函数PSD(PSD:Particle Size Distribution)斜率 和折射率作为输入，建立了散射角(0.1°-90°)范围内的体积散射函数。PSD的斜率根据在不同水域中测得的粒子衰减谱的双曲线斜率计算，PSD的测量和折射率的测量都非常 方便的，可以通过提供高采样率数据的商用仪器进行测量。将散射角(0.1°-90°)范围分 为(0.1°≤ψ≤5°)和(5°≤ψ≤90°)，然后在这两个范围内分别对水中粒子体积散射函 数进行建模。

如图1所示，本发明提供一种提高水下无线光通信系统信道特性仿真精度的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：水下信道建模

步骤1.1：光脉冲在水下信道中传输主要受到吸收和散射的影响，这会引起光功率的损耗和光子角度的偏差。散射与吸收系数定义如图2所示：

假设波长为λ的平行光束照射在厚度为ΔD的水ΔV中。我们把入射光的功率表示为P

步骤1.2：定义体积散射函数

由于水中粒子存在，光会与粒子发生散射，散射会导致光子在空间、角度、时间和偏振上的展宽，并导致接收器接收到的光子数量减小。这会导致系统的信噪比下降，从 而会引起通信系统中的码间串扰增大。对于水中散射的建模，最关键的是建立散射体积 函数(Volume Scattering Function:VSF)，它被定义为散射的角分布，描述每单位体积 散射光与入射辐照度的角度分布，如图3所示。

其中，ψ为散射角，ΔΩ为散射角ψ的方向。Δr为传输距离，Φ

用体积散射函数除以散射系数得到，散射角的概率分布函数：

步骤2：求解体积散射函数

步骤2.1：模型假设和近似

根据Mie理论，在一定的假设条件下，海洋中光散射问题可以求出近似解。

1)均匀介质。假定介质是均匀的，这表示散射和吸收在整个环境中是均匀的。

2)水中散射粒子为球体。

3)弹性散射(无拉曼散射)。这意味着散射是弹性的，波长没有发生变化，只有 方向改变。

步骤2.2：计算光学特性

根据Mie理论，光与球体粒子的相互作用可以用麦克斯韦方程组中球谐函数展开式 来描述，通过给粒子表面定义合适的电场、磁场边界条件，可以推导出散射效率(Q

其中，a

λ

根据能量守恒定律，消光效率等于散射效率与吸收效率之和，即：

Q

Q

其中，F(α)散射粒子尺寸分布(Particle Size Distributions:PSD)的概率密度函数。

定义后向散射率为：

步骤2.3：推导体积散射函数

要计算远场散射角的分布，首先要计算散射振幅函数S

其中，n为正整数，ψ为散射角。函数π

由散射振幅函数S

步骤3：建立模型

步骤3.1：确定散射粒子尺寸分布(PSD:Particle Size Distribution)

假设水下信道中散射颗粒大小分布服从Junge型，其粒子分布的概率密度函数为：

f(D)＝KD

其中，D

步骤3.2：后向散射率建模

利用最小二乘回归算法，将折射率和PSD斜率ξ作为输入，推导出一个计算后向散射率B

其中：

P

其中，n′为折射率，ξ为PSD函数斜率，m＝1,2。表1给出a

表1：后向散射系数

步骤3.3：散射相位函数的建模

将前向散射角(0.1°-90°)范围分为(0.1°≤ψ≤5°)和(5°≤ψ≤90°)，那么体积散射函数也相应的分为两个部分：

对于散射角范围在(0.1°≤ψ≤5°)，体积散射函数随折射率和PSD斜率的变化可表示为：

P

x＝ξ-3

y＝n-1

m＝1,2,3

关于上式中系数的值由下表给出：

表2：(0.1°≤ψ≤5°)散射相位函数模型的系数

对于散射角范围在(5°≤ψ≤90°)，体积散射函数由下式建模：

其中，

P

x＝ξ-3

y＝n-1

m＝1,2,3

表2：(5°<ψ≤90°)散射相位函数模型的系数

步骤4：模型实例

在后向散射率B

改进的体积散射函数与Petzold在70年代在圣地亚哥港测量的散射函数数值进行比 较，Petzold体积散射函数是根据实验测量的，该数值被广泛应用在水下信道建模的验证 中，故将其作为基准，用于验证新的体积散射函数模型。从图中可以看出，改进的体积散射函数紧密的贴合Petzold体积散射函数，从而验证了本方法的正确性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。