基于解析蒙特卡洛方法的載波調(diào)制水下激光通信研究.pdf

1、水下無線激光通信在海洋通信、環(huán)境監(jiān)測、礦藏搜尋和水下設(shè)施監(jiān)測等應(yīng)用中具有十分重要的經(jīng)濟(jì)價值和戰(zhàn)略意義。盡管光信號在海水中存在傳輸“窗口”,但是由于海水強(qiáng)烈的前向散射效應(yīng),造成了光信號在時域、空域上展寬和極化域特性的改變,使得現(xiàn)有的激光通信系統(tǒng)有效通信距離受到了極大的限制。針對如何抑制散射光提高通信距離的問題,成為現(xiàn)階段水下激光通信研究的瓶頸。
　　不能簡單的通過發(fā)射功率的提高增加水下光通信的距離,原因在于有用的信息被散射光信號所淹

2、沒。在通信接收端,攜帶通信信息的光信號在水中未發(fā)生或僅發(fā)生極少散射,信號強(qiáng)度很小;而散射信號強(qiáng)度大且產(chǎn)生波形畸變。如果能夠提出一種方法抑制前向散射信號強(qiáng)度,提高準(zhǔn)直信息信號的對比度,就可以實(shí)現(xiàn)對通信信息信號的提取,實(shí)現(xiàn)水下光通信距離的增加。
　　文章通過分析海水米氏散射理論及其相函數(shù),建立了海水前向散射信道模型。模型分析結(jié)果表明,海水前向散射信道中,產(chǎn)生干擾的散射光的幅頻響應(yīng)呈現(xiàn)低通特征,而攜帶有用通信信息的準(zhǔn)直光的幅頻響應(yīng)為均勻

3、函數(shù)。在采用高頻載波調(diào)制發(fā)射信息信號后,經(jīng)過海水信道的傳輸,在接收端捕獲光信號并通過以調(diào)制頻率為中心頻率的帶通濾波后,散射噪聲在頻域特性上可以與有用的準(zhǔn)直信號得到顯著區(qū)分。針對這一理論,文章提出了一種載波調(diào)制抑制水下光通信前向散射的方法,并在此基礎(chǔ)上展開載波調(diào)制通信的海水散射信道傳輸特性和傳輸距離的研究。
　　載波調(diào)制水下激光通信鏈路的建立依賴于對載波調(diào)制海水光通信信道的具體時、頻域傳輸特性的分析。傳統(tǒng)的解析分析的方法誤差較大;實(shí)

4、驗(yàn)測量的方法受水槽幾何尺寸的限制,參數(shù)調(diào)整也不靈活,另外水槽中模擬海水的水質(zhì)參數(shù)也與真實(shí)海水存在差異,實(shí)用性不高。文章在傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)蒙特卡洛模擬的基礎(chǔ)上,分析光子每次微觀碰撞的直接到達(dá)接收器的解析分量,采用H-G函數(shù)作為散射擬合相函數(shù)構(gòu)建了一種統(tǒng)計(jì)和解析融合的蒙特卡洛仿真方法—解析蒙特卡洛方法,并在基礎(chǔ)上逐步建立了單光子、光脈沖和載波調(diào)制光脈沖的蒙特卡洛仿真算法模型。該模型有效解決了實(shí)際海水信道散射時/頻域特征分析工具的問題,相對于傳統(tǒng)算法

5、的運(yùn)算時間有效提高了164.57倍,成為本課題研究現(xiàn)階段的水下激光通信信道特征的有力工具。
　　通過對比水槽實(shí)驗(yàn)測量不同水質(zhì)參數(shù)下接收光強(qiáng)和接收信號帶寬與解析蒙特卡洛模型仿真結(jié)果,驗(yàn)證了該模型的有效性。在此基礎(chǔ)上,將該模型應(yīng)用于真實(shí)海水水質(zhì)參數(shù)的模擬,采用了水下激光通信中廣泛應(yīng)用的Petzold水質(zhì)參數(shù),分析了三類海水前向散射通信信道的信道沖擊響應(yīng)及其信道容量。結(jié)果表明,水下激光信道沖擊響應(yīng)除了以往研究獲得的“準(zhǔn)直峰+散射拖尾”的

6、線型外,還存在另外兩種線型,更新了對海水無線激光通信信道脈沖響應(yīng)線型特征的認(rèn)識。另外,通過對信道沖擊響應(yīng)的頻域變換,分析了真實(shí)海水信道環(huán)境在不同衰減長度下的海水信道容量,發(fā)現(xiàn)了其信道容量的近似指數(shù)衰減規(guī)律,為真實(shí)海水激光無線通信鏈路的設(shè)計(jì)提供了一種簡便易行的信道估算方式。
　　然后文章將載波調(diào)制信號輸入水下無線通信解析蒙特卡洛模型,采用高斯函數(shù)調(diào)制以更貼近實(shí)際應(yīng)用的激光調(diào)制技術(shù)獲得了載波調(diào)制通信信號的輸出波形特征。通過載波調(diào)制頻率

7、在接收信號頻譜的可辨識度著重分析了三類海水水質(zhì)參數(shù)條件下載波調(diào)制通信距離上限。仿真結(jié)果表明,三類海水的通信距離上限分別為:遠(yuǎn)洋海水140m;近海海水75m,海灣海水19m?？梢娸d波調(diào)制通信技術(shù)在遠(yuǎn)洋海水中的通信距離提高了2倍以上。而由于傳統(tǒng)通信性能分析不包含近海海水和海灣海水分析,這兩種海水載波調(diào)制通信性能無法比較。
　　最后分析了組成載波調(diào)制激光通信系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)及其系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)。結(jié)果表明,調(diào)QNd:YAG倍頻激光器峰值功率可達(dá)