[发明专利]水下到达激光信号3dB强度光斑半径的计算方法

说明书

本发明公开一种水下到达激光信号3dB强度光斑半径的计算方法，通过建立水下激光信号传输过程的MC仿真平台，在给定信道条件下，统计接收平面上到达光子的坐标信息和功率值信息，便以此为依据进行光子二维分布情况统计，由此得到到达激光信号的光斑。本发明能够为海洋激光通信系统中光学接收镜头(含接收镜头阵列)的尺寸设计及其最优位置分布策略提供数据和技术参考。

技术领域

本发明涉及水下激光通信技术领域，具体涉及一种水下到达激光信号3dB强度光斑半径的计算方法。

背景技术

激光在散射海水信道的传输过程，可以视为大量光子在其中的传播过程。在水下激光信道研究领域中，由于海水复杂而随机的时空变特性，海水中水分子、浮游植物和有色溶解有机物等的吸收效应以及水分子、浮游植物和悬浮颗粒物等散射效应，激光信号在海水中传播时，会遭受严重的衰减和偏离原有传播路径。

由于海水散射效应的影响，到达激光信号会在接收平面上弥散成比其自然发散大很多的信号光斑，但海水信道下到达激光信号的主要光功率却分布在3dB强度光斑以内，此时若将全部信号光斑分布全部纳入统计范围，计算复杂度必然骤增。同时，实际光学接收镜头的尺寸也远小于到达激光信号光斑的尺寸。因此在给定合理尺寸接收平面的条件下，计算该3dB强度光斑的半径，既可以表征信道和光学系统参数对其产生的影响，又可以为海洋激光通信系统光学接收镜头的尺寸设计及其最优位置分布策略提供数据和技术参考。

虽然目前国内许多研究团队对水下激光信道的特性开展了相关应用研究。但现有研究资料中，仍然没有全面表征出到达激光信号光斑的二维分布特性的相关研究。

发明内容

本发明针对光子到达接收平面的二维空间分布，提供一种水下到达激光信号3dB强度光斑半径的计算方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

水下到达激光信号3dB强度光斑半径的计算方法，其具体包括步骤如下：

步骤1、将激光通信系统发收天线的准直光轴视为z轴，以实际过程中光子到达平面即接收平面xOy建立xyz坐标系，并在给定信道条件下，基于MC仿真方法对海水中激光信号的传输过程进行仿真，以MC仿真过程中各个光子到达平面即统计平面x′O′y′建立x′y′z坐标系；

步骤2、对于每个光子，在MC仿真过程中，记录该光子在光源处出的发射位置并记录该光子在运动过程中的每一次散射的到达坐标(x′_i,y′_i,z′_i)及其对应的单位方向向量当该光子的每一次散射的散射步长l_i在光轴上投影的矢量之和即散射步长矢量和L_z大于等于传输距离Z₀时，表明该光子到达统计平面x′O′y′；

步骤3、基于步骤2所记录的仿真结果，计算每个光子到达接收平面xOy的到达坐标(x_M,y_M,Z₀)，其中：

式中，为光子的发射位置，为光子第i次散射的单位方向向量，为光子到达统计平面x′O′y′的单位方向向量，l_i为第i次散射的散射步长，L_z为散射步长矢量和，Z₀传输距离，i＝1,2,…，M，M为光子到达接收平面时所经历的散射次数；

步骤4、计算每个光子到达接收平面xOy的功率值ω，其中：

ω＝ω₀u^M

式中，ω₀为光子发射时所携带的功率值，u＝K_s(λ)/K_att(λ)为反照率，K_s(λ)为散射系数，K_att(λ)为衰减系数；M为光子到达接收平面时所经历的散射次数；