[发明专利]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

说明书

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。

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^-ξ (1)

其中，D表示散射颗粒直径，D_max为最大粒子直径，D_min为最小粒子直径，ξ为粒 子尺寸分布PSD函数的斜率；