[发明专利]一种水下蓝绿激光通信中光斑面积的计算方法

说明书

本发明公开了一种水下蓝绿激光通信中光斑面积的计算方法，具体为：空间直角坐标系下，确定光源发射光子传输方向的余弦函数、光子的随机步长和光子第一次遇到粒子发生吸收或散射时的坐标；再得到光子遇到粒子发生吸收和散射的概率，重复以上步骤，直到光子经过_n次散射到达接收面，光子在接收面上的坐标为光子发生第_n+1次吸收或散射时的坐标，根据光子在接收面上的坐标分布，找出最外层光子，用线连接得到一个闭合曲线，闭合曲线围出的面积为接收面接收到的光斑的面积；利用紫外光在大气中的散射传输计算蓝绿激光在海水中传输，获得蓝绿激光在水下传输到达接收面上的光斑面积，从而为水下蓝绿激光通信中，接收端的透镜尺寸设计提供理论依据。

技术领域

本发明属于水下无线激光通信技术领域，具体涉及一种水下蓝绿激光通信中光斑面积的计算方法。

背景技术

与陆上通信相比，电磁波在水中传播会发生严重的衰减，通信距离受到严重限制。水声通信虽然传输距离远，但是会产生严重的时延，且传输速率很慢。光通信弥补了电磁波在水中传输的高强度衰减以及声波在水中传输的高时延等缺点，是水下通信中一种新兴的通信技术。水下光通信有水下激光通信和水下可见光通信两种方式，使用的光波段均为450-550nm的蓝绿光。

光在海水中传输会受到海水中水分子、各种溶解物质和悬浮粒子的散射影响，改变光子的传输路径，使得光斑大小发生变化。以激光为例，蓝色激光器发出的蓝色激光在海水中传输，若在理想状态下，接收面接收到的光斑大小与初始激光器发出的光斑大小相一致。但在实际情况下并不是这样，接收面接收到的激光光斑大小与激光在海水中的传输方式(激光平行于海面传输、垂直于海面传输和斜程传输)和传输距离有关。相同传输距离下，不同的传输方式，光斑的大小不同；相同传输方式下，不同的传输距离，光斑的大小也不同。

发明内容

本发明的目的是提供一种水下蓝绿激光通信中光斑面积的计算方法，根据计算得到的激光光斑面积，为设计水下蓝绿激光通信中接收端的透镜尺寸提供理论依据。

本发明所采用的技术方案是，一种水下蓝绿激光通信中光斑面积的计算方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，在空间直角坐标系O-xyz下，光源的坐标为(x,y,z)，确定光源发射光子传输方向的余弦函数(u_x,u_y,u_z)；

步骤2，确定光子的随机步长和光子第一次遇到粒子发生吸收或散射时的坐标；

步骤3：确定光子遇到粒子发生吸收和散射的概率，光子遇到粒子发生吸收的概率为P，则散射的概率为1-P；

步骤4，设激光器发出的光子有N个，光子第一次遇到粒子时，被吸收的光子数为NP，被散射的光子数为N(1-P)；根据Henyey-Greenstein相位函数确定光子被粒子散射时，散射角θ的余弦函数；

步骤5，根据光子发生散射时散射角的余弦函数，确定光子新的传输方向的方向余弦；

步骤6，重复步骤2-5，直到光子经过n次散射到达接收面，得到光子第n次与粒子相遇时的坐标(x_n,y_n,z_n)，光子的数目N(1-P)^n-1，以及光子发生第n次吸收或散射后，光子的数目N(1-P)ⁿ，光子传输方向的方向余弦u_xn,u_yn,u_zn；