蒙特卡洛法仿真激光在水下信道中的传输特性.pdf

d o i:1 0.1 3 7 5 6/j.g t x y j.2 0 2 3.0 4.0 0 9专题:水下光通信技术韩笑天,廖佩璇,李鹏,等.蒙特卡洛法仿真激光在水下信道中的传输特性J.光通信研究,2 0 2 3(4):5 3-5 9.H a nXT,L i a oPX,L iP,e ta l.M o n t eC a r l oS i m u l a t i o no nL a s e rT r a n s m i s s i o nC h a r a c t e r i s t i c si na nU n d e r w a t e rC h a n n e lJ.S t u d yo nO p t i c a lC o mm u n i c a t i o n s,2 0 2 3(4):5 3-5 9.蒙特卡洛法仿真激光在水下信道中的传输特性韩笑天1,2,廖佩璇1,2,李 鹏1,汪 伟1,2,谢小平1,2,李怀亮3,魏佳广3,冯晓伟3,徐善志3(1.中国科学院 西安光学精密机械研究所 a.光子网络技术研究室;b.瞬态国家重点实验室,西安 7 1 0 1 1 9;2.中国科学院大学 未来技术学院,北京 1 0 1 4 0 8;3.海洋石油工程股份有限公司安装分公司,天津 3 0 0 4 6 1)摘要:针对海洋港湾海水强吸收和高散射的特性,文章利用蒙特卡洛方法仿真研究了激光在浑浊港湾海水中的传输特性。文章在一定的光波长、光能量和发散角下,量化分析了水质参数和传输距离对激光的功率、脉冲响应以及光斑质量的影响。研究结果表明,激光在浑浊港湾海水中传输时,随着衰减长度的增加,光功率的衰减特性保持一致,且光功率的衰减速度不符合比尔定律所描述的线性关系。在相同的水质条件下,光脉冲的宽度和光斑的尺寸随着传输距离的增加而增大,但是当传输距离从2 0个衰减长度传输至3 0个衰减长度时,光脉冲宽度基本不变,光脉冲展宽量的变化小于1n s,此时光斑尺寸持续增大。另外,在相同的衰减长度处,光脉冲和光斑的展宽量随着水质衰减系数的增大而减小。关键词:水下无线光传输;蓝绿光;蒙特卡洛;脉冲响应;光斑变化中图分类号:T N 9 2 9 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 5-8 7 8 8(2 0 2 3)0 4-0 0 5 3-0 7M o n t eC a r l oS i m u l a t i o no nL a s e rT r a n s m i s s i o nC h a r a c t e r i s t i c si na nU n d e r w a t e rC h a n n e lH A NX i a o-t i a n1,2,L I A OP e i-x u a n1,2,L IP e n g1,WA N G W e i1,2,X I EX i a o-p i n g1,2,L IH u a i-l i a n g3,WE IJ i a-g u a n g3,F E N GX i a o-w e i3,X US h a n-z h i3(1.a.L a b o r a t o r yo fP h o t o n i c sa n dN e t w o r k;b.S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fT r a n s i e n tO p t i c sa n dP h o t o n i c s,X i a nI n s t i t u t eo fO p t i c sa n dP r e c i s i o nM e c h a n i c s,C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s,X i a n7 1 0 1 1 9,C h i n a;2.S c h o o l o fF u t u r eT e c h n o l o g y,U n i v e r s i t yo fC h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e,B e i j i n g1 0 1 4 0 8,C h i n a;3.I n s t a l l a t i o nB r a n c h,O f f s h o r eO i lE n g i n e e r i n gC o.,L t d.,T i a n j i n3 0 0 4 6 1,C h i n a)A b s t r a c t:T h e t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so f l a s e r i nf o u r t y p e so fh a r b o rw a t e rw e r e s t u d i e du s i n gM o n t eC a r l om e t h o ds i m u-l a t i o n s f o r t h ec h a r a c t e r i s t i c so f s t r o n ga b s o r p t i o na n dh i g hs c a t t e r i n go fw a t e r i nm a r i n eh a r b o r s.T h ee f f e c t so fw a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r sa n dt r a n s m i s s i o nd i s t a n c eo nt h eo p t i c a l s i g n a lp o w e r,i m p u l s er e s p o n s ea n ds p o tq u a l i t yw e r eq u a n t i f i e da n da n a-l y z e da t c e r t a i no p t i c a lw a v e l e n g t h s,o p t i c a l e n e r g i e sa n dd i v e r g e n c ea n g l e s.T h ea n a l y s i ss h o w s t h a t t h ea t t e n u a t i o nc h a r a c t e r-i s t i c so f l a s e r r e m a i nc o n s i s t e n t a st h ea t t e n u a t i o nl e n g t hi n c r e a s e sw h e nt h eo p t i c a ls i g n a l i st r a n s m i t t e di nt h ef o u rt y p e so fh a r b o rw a t e r s.T h er a t eo f a t t e n u a t i o no f t h eo p t i c a l p o w e r a l s od o e sn o t c o n f o r mt ot h e l i n e a r r e l a t i o n s h i pd e s c r i b e db yB e e r sl a w.U n d e r t h e s a m ew a t e r q u a l i t yc o n d i t i o n s,t h ew i d t ho f t h eo p t i c a l p u l s e,t h e s i z eo f t h e l i g h t s p o t i n c r e a s e sw i t h t h e a t t e n-u a t i o n l e n g t h.H o w e v e r,w h e nt h e a t t e n u a t i o n l e n g t h i s t r a n s m i t t e d f r o m2 0t o3 0,t h ew i d t ho f t h eo p t i c a l p u l s e i sa l m o s t u n-c h a n g e d,a n d t h e c h a n g e i n t h e a m o u n t o f l i g h t p u l s e s p r e a d i n g i s l e s s t h a n1n sw i t h t h e s i z eo f t h e l i g h t s p o t i n c r e a s e s c o n t i n u-o u s l y.I na d d i t i o n,a t t h e s a m e a t t e n u a t i o n l e n g t h,t h e l i g h t p u l s e a n d t h e s p r e a d i n ga m o u n t o f l i g h t s p o tw i t h t h ew a t e r q u a l i t ya t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n t i n c r e a s e sa n dd e c r e a s e s.K e yw o r d s:u n d e r w a t e rw i r e l e s so p t i c a l t r a n s m i s s i o n;b u l e-g r e e n l i g h t;M o n t oC a r l o;i m p u l s er e s p o n s e;l i g h t s p o t c h a n g e0 引 言全面的海洋观测一直是科学界、工业界和军事界广泛关注的问题。安全问题、天气监测和海洋商业都需要对海洋环境进行感知。但是,复杂的海洋环境使得海洋观测变得昂贵、危险且困难。光信号在海水信道中传输时,受到动态海水介质的影响,其时空分布特性呈现出很强的随机性1,加之水下实际测量成本较高。因此,如何准确建模和分析光信号在水下信道的变化特征,对水下无线光通信系统设计具有重要的意义,一直以来受到国内外众多研究者的广泛关注。近年来,采用蒙特卡洛方法仿真分析光信号在水下介质中的传输特性受到了众多研究学者的青睐。收稿日期:2 0 2 3-0 5-0 4;修回日期:2 0 2 3-0 5-1 6;纸质出版日期:2 0 2 3-0 8-1 0基金项目:国家重点研发计划资助项目(2 0 2 1 Y F C 2 8 0 0 5 0 4;2 0 2 2 Y F C 2 8 0 6 0 0 0)作者简介:韩笑天(1 9 9 6-),男,陕西渭南人。博士,主要研究方向为水下无线光通信。通信作者:谢小平,研究员。E-m a i l:x x p o p t.a c.c nE d i t o r i a lO f f i c eo fS t u d yo nO p t i c a lC o mm u n i c a t i o n s.T h i s i sa no p e na c c e s sa r t i c l eu n d e r t h eC CB Y-N C-N Dl i c e n s e.352 0 2 3年 第4期总第2 3 8期光 通 信 研 究S TUD YONO P T I C A LC OMMUN I C AT I ON S2 0 2 3.0 8(S u m.N o.2 3 8)现有的水下信道光传输特性研究成果主要集中在对比分析光在多种大自然海水如:清澈海水、沿海海水以及类港湾海水中的传输特性2-4,但是针对光在类、类、类以及类港湾海水中的传输特性的研究较少。本文运用蒙特卡洛方法仿真分析了在一定光能量下,光功率、光斑质量以及时域展宽特性在港湾水质下随传输距离的变化情况,研究结果将对在港口水域环境下工作的水下无线光通信系统的设计和研制具有重要意义。1 仿真模型1.1 水质信道光学参数光子与水中粒子的相互作用十分频繁且剧烈,当激光在水体中传输时,一部分光被水体吸收,另一部分光被水体散射5。为了从数学上描述这两种效应,两个波长相关的光学特征参数(吸收系数a()和散射系数b()被引入。衰减系数c()可表示为6c()=a()+b(),(1)式中,为光波长。b()与c()的比值为反照率,代表散射损耗与总损耗的比值,用符号0表示7。本文中,我们选用5 3 2n m波长作为研究对象。为了分析海水浑浊度对水下信道的影响,将港湾水质分为H a r b o r-、H a r b o r-、H a r b o r-和H a r b o r-4种类型。4种类型港湾水质的吸收系数a、散射系数b、衰减系数c和反照率0的特征值如表1所示。其中,H a r b o r-类 港 湾 水 质 的 特 征 参 数 取 自P e t z o l d8测量的真实港湾水质参数,其他的水质参数通过采用相同的反照率和不同的衰减系数推出。表1 不同港口水质的光学特征参数9T a b l e1 O p t i c a lp a r a m e t e r so fw a t e r水质类型光学特征参数/m-1abc0H a r b o r-0.1 8 70.9 1 31.10.8 3H a r b o r-0.3 7 41.8 2 62.20.8 3H a r b o r-0.5 6 12.7 3 93.30.8 3H a r b o r-0.7 4 83.6 5 24.40.8 3 光子在水下信道的传输过程如图1所示,从光源发出的光子经水中粒子多次散射后沿着不同的路径传输至接收端,一部分光子被有限的接收孔径接收。图中:m(m=1,2,k)为光子运动的方位角,k为第k次光子散射;n(n=1,2,3,k)为光子散射角。单个光子与粒子相互作用之后散射方向随机,常采用体散射相位函数评估散射后光能量分布1 0。在本文中,体散射相位函数用符号()表示(为散射角),其与散射系数b()的关系为1 11=2 0(,)s i nd(,)=(,)b(),(2)式中,(,)为散射相位函数。xyz渍0鬃0渍1鬃1渍2鬃2渍l鬃l渍k鬃k光源图1 光子在水下信道的传输过程示意图F i g u r e1 S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ep h o t o nt r a n s m i s s i o ni na nu n d e r w a t e rc h a n n e l截至目前,为了研究光在水下信道的传输特征,已经有多种不同的散射相位函数被提出,如:一阶H e n y e y-G r e e n s t e i n(HG)散射 相位函数1 2、二阶HG散射相位函数1 3和F o u r n i e r-F o r a n d(F F)散射相位函数1 4等。有文献证明,F F散射相位函数与P e t z o l d港口水质具有良好的一致性1 5。另外,根据文献1 6 的仿真结果,当F F散射相位函数中的参数斜率=3.5 8 35、海水折射率N=1.1 3时,F F散射相位函数与P e t z o l d港湾海水的测量数据相近。因此,本文采用F F散射相位函数进行仿真分析。F F散射相位函数F F()的表达式如式(3)所示:F F()=14(1-)2(1-)-(1-)+(1-)-(1-)s i n-22+1-1 8 01 6(1 8 0-1)1 8 0(3 c o s2-1)=3-2=43(n-1)2s i n22,(3)式中:参数和为两个中间变量,没有实际的物理含义;1 8 0为当散射角=1 8 0 时的值;为方位角。1.2 蒙特卡洛数值仿真流程蒙特卡洛数值仿真技术将发射光源建模为具有45光通信研究2 0 2 3年 第4期 总第2 3 8期一定分布特征的光子包,根据通信系统的光学参数以及水质参数,结合F F散射相位函数得到光子散射角,追迹每个光子的运动轨迹,最后统计接收到的光子数和分布特征。光子的初始位置由其在发射光源平面初始位置坐标(x0,y0,z0)和光子方向向量在x、y、z轴上的投影(0 x,0y,0z)决定,这些投影通常也被称为“方向余弦”。前者确定了光子当前的位置坐标,后者决定了光子的传播方向。如图2(a)所示,假设光子包沿着z轴传播且在光源平面上,光子位置与光源中心的距离为r0,初始极偏角为0,初始方位角和仰角分别为0、0,根据三角函数关系,光子的初始位置坐标(x0,y0,z0)和方向余弦(0 x,0y,0z)分别为x0=r0c o s0、y0=r0s i n0、z0=0、0 x=s i n0c o s0、0y=s i n0s i n0和0z=c o s0,式中,由于光源板和光束均是径向对称的,0和0可根据下式随机选取0=2 R和0=2 R,式中,R为归一化区间0,1内的随机数。激光能量分布服从高斯分布特征,在光源平面上,光子距离光源中心的距离r0可以根据高斯分布选取,具体的表达式为r0=0-l n(1-R),式中,0为激光的束腰半径。光束的初始位置偏角0可以根据光束的初始发散半角d i v、束腰半径w0和r0求得,表达式为0=r0d i vw0。如图2(b)所示,在光子运动过程中,当一次散射事件发生时,需要确定光子的随机散射路径长度L、散射角以及方位角。光子的散射路径长度为连续两次光子散射事件发生时光子传输的距离。光子 的 散 射 角 根 据 式(2)选 取,表 达 式 为0(,)s i nd=R,式中,为被选择的散射角。当光子的随机散射长度L、散射角以及方位角确定之后,光子的位置可被更新为x,y,z:x=Lx、y=Ly和z=Lz,式中,x、y和z为当前光子的方向余弦。L=-l n(R)/b为随机选择的散射路径长度1。光子新的位置确定之后,判断光子xyz渍0鬃0a0滋z光源滋y滋x选择光子包传输至接收面开始光子仍在运动？光子仍在传输？计算光子与接收面的欧式里德距离计算y，z轴交叉点记录光子的散射 角渍标记光子到达接收面设定新方向：x，y，z增加散射 角渍增加光子传输距离更新光子权重棕=棕棕0棕阈值光子甄灭计算下一步光子的位置：x，y，z光子在接收面前方？选择随机散射 长度L=-1/bln（R）选择散射 角渍从函数茁选择方位角鬃：鬃=2仔R否否否否是是是(b)光子仿真传输流程(b)The flow of photonic transport simulation(a)光子包在发 射 平面的位置示意图(a)Diagram of the position of the photon packetin the emission plane（r0，琢0）是?图2 蒙特卡洛仿真建模F i g u r e2 M o n t eC a r l os i m u l a t i o nm o d e l l i n g是否在接收面前方,若光子不在接收面前方,判断光子散射前后的运动轨迹是否与接收面相交,若相交,则标记光子被接收。若光子在接收面前方,重新选择光子的散射角和方位角,可以得到新的方向余弦x,y,z:xyz=xz/1-2z-y/1-2zxyz/1-2zx/1-2zy-1-2z0z1-2sc o s1-2ss i ns,2z1,(4)式中,s=c o s,和分别为光子新的散射角和方位角。本文主要研究激光在4种港湾水质中传输过程中的变化特征,因此不对接收机参数进行限定。基于上述建模仿真理论,本次研究中仿真系统设定的初始化参数如表2所示。55韩笑天 等:蒙特卡洛法仿真激光在水下信道中的传输特性表2 仿真系统的初始化参数T a b l e2 I n i t i a l i z a t i o np a r a m e t e r so f t h es i m u l a t i o ns y s t e m仿真参数参数值光波长/n m5 3 2光能量/J3.7 4光子数1 01 3发散角/r a d3 2 3束腰直径/mm22 数值结果分析和讨论2.1 功率衰减特性分析首先,我们研究了激光功率随传输距离的变化特性。图3所示为归一化接收光功率随衰减长度的变化关系。图中,将衰减长度A L定义为水质衰减系数c()与传输距离z的乘积,即A L=c()z。由仿真结果可知,在4类港湾水质中,光功率随A L的变化保持一致,但是与B e e r模型的计算结果相比具有较大差异。在同一A L处,相较于B e e r模型的计算结果,蒙特卡洛仿真得到的光功率衰减更小,并且随着A L的增加,两者仿真结果的差异逐渐增大。随着A L的增加,光功率衰减速度先剧烈而后趋于平稳,这是由于在短距离处,光束逐渐发散造成光能量快速衰减,随着传输距离增加,光束逐渐处于全散射状态,这使得因光散射导致的光能量衰减的比重逐渐降低,此时吸收效应占主导因素。归一化接收光功率/dB-140ALBeer模型Harbor鄄Harbor鄄Harbor鄄Harbor鄄-120-100-80-60-40-200051015202530图3 归一化接收光功率随衰减长度的变化关系F i g u r e3 R e c e i v e dn o r m a l i z e dp o w e rv sa t t e n u a t i o nl e n g t h2.2 时域展宽特性分析其次,我们分析了激光光束的时域展宽特性。在4种港口水质中,当光束传输不同衰减长度A L时,光脉冲展宽量的互补累积概率密度函数(C u m u-l a t i v eP r o b a b i l i t yD e n s i t yF u n c t i o n s,C D F)分布如图4所示。在同一水质条件下,随着衰减长度的增大,光束的时域展宽量也增大,当光束在水中的衰减长度从2 0增加到3 0时,光束的时域展宽特性基本10个衰减长度20个衰减长度30个衰减长度互补CDF10-310-210-110010-2010-1510-1010-5脉冲延迟量/s(b)类港湾水质(b)Harbor鄄 water(a)类港湾水质(a)Harbor鄄 water互补CDF10-310-210-110010-2010-1510-1010-510个衰减长度20个衰减长度30个衰减长度互补CDF10-310-210-110010-2010-1510-1010-510个衰减长度20个衰减长度30个衰减长度10-2010-1510-1010-5互补CDF10-310-210-110010个衰减长度20个衰减长度30个衰减长度(d)类港湾水质(d)Harbor鄄 water(c)类港湾水质(c)Harbor鄄 water脉冲延迟量/s脉冲延迟量/s脉冲延迟量/s图4 光脉冲展宽与水质参数和衰减长度之间的关系F i g u r e4 L i g h tp u l s es p r e a d i n gf o rd i f f e r e n tw a t e r t y p ea n da t t e n u a t i o nl e n g t h保持不变,这是由于在长距离处,光束逐渐全散射,到达接收面的光子运动的路程基本相同,光脉冲的展宽量逐渐趋于不变。另外,光脉冲的展宽不仅受衰减长度的影响,而且与水质的特性参数有关。如图所示,当光束传输的A L=1 0时,对于H a r b o r-类水质而言,9 9.9 9 9%光子到达接收面的延迟时间约为6 0.2n s,但是在同样的A L下,对于H a r b o r-类水质而言,其约为1 4.1n s。因此,在相等的A L下,水质的衰减系数越大,光束的传输距离越短,光脉冲的展宽量越小。65光通信研究2 0 2 3年 第4期 总第2 3 8期2.3 光斑质量劣化特性分析最后,我们分析了光束在4类港口水质中传输不同衰减长度时光斑的变化特性。图58分别展示了 光 束 在H a r b o r-、H a r b o r-、H a r b o r-和H a r b o r-类水质中传输不同衰减长度处光斑横截面上的光子分布和光强分布。y/m6050403020100y/m6050403020100y/m60504030201001.00.90.80.70.60.50.40.30.20.11.00.90.80.70.60.50.40.30.20.11.00.90.80.70.60.50.40.30.20.16050403020100 x/m6050403020100 x/m6050403020100 x/m(c)30个衰减长度光子分布(c)30 AL photon distribution(a)10个衰减长度光子分布(a)10 AL photon distribution(b)20个衰减长度光子分布(b)20 AL photon distribution蒙特卡洛仿真曲线拟合归一化强度1.00.80.60.40.206050403020100 x/m归一化强度1.00.80.60.40.20蒙特卡洛仿真曲线拟合6050403020100 x/m归一化强度1.00.80.60.40.20蒙特卡洛仿真曲线拟合6050403020100 x/m(f)30个衰减长度光强分布(f)30 AL light intensity distribution(d)10个衰减长度光强分布(d)10 AL light intensity distribution(e)20个衰减长度光强分布(e)20 AL light intensity distribution归一化强度归一化强度归一化强度图5 光束在H a r b o r-类水质中传输时光斑横截面上的光子分布和光强分布F i g u r e5 P h o t o nd i s t r i b u t i o na n d l i g h t i n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no ns p o t c r o s s-s e c t i o n s f o rb e a mt r a n s m i s s i o n i nH a r b o r-w a t e ry/m60504030201006050403020100 x/m1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1y/m60504030201006050403020100 x/m1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.16050403020100 x/m1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1y/m6050403020100蒙特卡洛仿真曲线拟合(c)30个衰减长度光子分布(c)30 AL photon distribution(a)10个衰减长度光子分布(a)10 AL photon distribution(b)20个衰减长度光子分布(b)20 AL photon distribution归一化强度1.00.80.60.40.20归一化强度1.00.80.60.40.20归一化强度1.00.80.60.40.206050403020100 x/m(d)10个衰减长度光强分布(d)10 AL light intensity distribution6050403020100 x/m(f)30个衰减长度光强分布(f)30 AL light intensity distribution6050403020100 x/m(e)20个衰减长度光强分布(e)20 AL light intensity distribution蒙特卡洛仿真曲线拟合蒙特卡洛仿真曲线拟合归一化强度归一化强度归一化强度图6 光束在H a r b o r-类水质中传输时光斑横截面上的光子分布和光强分布F i g u r e6 P h o t o nd i s t r i b u t i o na n d l i g h t i n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no ns p o t c r o s s-s e c t i o n s f o rb e a mt r a n s m i s s i o n i nH a r b o r-w a t e r 在同一水质条件下,随着传输距离的增加,光束逐渐发散,光斑的尺寸变大。我们对光束横截面上径向光强分布进行了高斯分布拟合,研究结果如图5(d)、(e)和(f)所示。由图可知,光束横截面上的光子在衰减长度为1 0个衰减长度处呈现良好的高斯分布,此时,1/e2光强处光斑的直径约为1 4.2 3m,随着传输距离的增大,当光束传输至2 0个衰减长度时,光子数的高斯分布特征逐渐退化,当衰减长度为75韩笑天 等:蒙特卡洛法仿真激光在水下信道中的传输特性y/m60504030201006050403020100 x/m1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1y/m60504030201006050403020100 x/m1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.16050403020100 x/m1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1y/m6050403020100蒙特卡洛仿真曲线拟合(c)30个衰减长度光子分布(c)30 AL photon distribution(a)10个衰减长度光子分布(a)10 AL photon distribution(b)20个衰减长度光子分布(b)20 AL photon distribution归一化强度1.00.80.60.40.20归一化强度1.00.80.60.40.20归一化强度1.00.80.60.40.206050403020100 x/m(d)10个衰减长度光强分布(d)10 AL light intensity distribution6050403020100 x/m(f)30个衰减长度和光强分布(f)30 AL light intensity distribution6050403020100 x/m(e)20个衰减长度光强分布(e)20 AL light intensity distribution蒙特卡洛仿真曲线拟合蒙特卡洛仿真曲线拟合归一化强度归一化强度归一化强度图7 光束在H a r b o r-类水质中传输时光斑横截面上的光子分布和光强分布F i g u r e7 P h o t o nd i s t r i b u t i o na n d l i g h t i n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no ns p o t c r o s s-s e c t i o n s f o rb e a mt r a n s m i s s i o n i nH a r b o r-w a t e ry/m60504030201006050403020100 x/m1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1y/m60504030201006050403020100 x/m1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.16050403020100 x/m1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1y/m6050403020100(c)30个衰减长度光子分布(c)30 AL photon distribution(a)10个衰减长度光子分布(a)10 AL photon distribution(b)20个衰减长度光子分布(b)20 AL photon distribution归一化强度1.00.80.60.40.20归一化强度1.00.80.60.40.20归一化强度1.00.80.60.40.206050403020100 x/m(d)10个衰减长度光强分布(d)10 AL light intensity distribution6050403020100 x/m(f)30个衰减长度光强分布(f)30 AL light intensity distribution6050403020100 x/m(e)20个衰减长度光强分布(e)20 AL light intensity distribution蒙特卡洛仿真曲线拟合蒙特卡洛仿真曲线拟合蒙特卡洛仿真曲线拟合归一化强度归一化强度归一化强度图8 光束在H a r b o r-类水质中传输时光斑横截面上的光子分布和光强分布F i g u r e8 P h o t o nd i s t r i b u t i o na n d l i g h t i n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no ns p o t c r o s s-s e c t i o n s f o rb e a mt r a n s m i s s i o n i nH a r b o r-w a t e r3 0个衰减长度时,光束横截面上的光子分布已经不具有高斯分布特征,1/e2光强处光斑的直径已经达到约2 6.0 6m。我们将同一衰减长度下的光斑特征进行对比分析。在同一衰减长度下,光束的散射程度与水质衰减系数呈负相关,即:水质越浑浊,横截面光子分布越集中。当光束传输至相同衰减长度时,水质衰减的系数越小,光束径向光强分布越弥散。在衰减长度为3 0个衰减长度处,光束在H a r b o r-类水质中传输时,1/e2光强处光斑直径约为2 3.0 6m,而在H a r b o r-类水质中传输时,1/e2光强处光斑直径仅仅约为7.2 4m。85光通信研究2 0 2 3年 第4期 总第2 3 8期3 结束语本文利用蒙特卡洛分析方法研究了激光在4种类型港湾水质中的传输特性,分析了水质条件和衰减长度对激光光功率、脉冲展宽以及光场强度分布的影响,比较了在H a r b o r-、H a r b o r-、H a r b o r-和H a r b o r-4类水质中,光功率、光脉冲展宽量以及光束的径向强度分布随衰减长度的变化关系。一方面,光功率的损耗与传输的衰减长度有关,并且光功率随传输距离的衰减不符合B e e r定律所描述的指数关系,而是随着衰减长度的增加,光功率衰减速度先剧烈而后趋于平稳。另一方面,光脉冲的展宽量和光斑尺寸不仅与传输的衰减长度有关,而且与水质的参数有关。值得指出的是,在对激光在水体中的传输特性的研究中,本文仅考虑了自然海水的吸收和散射效应对光束传输特性的影响,对由于海水温度、盐度以及压力不均匀性等引起的海水湍流效应对激光的影响在本文中并未研究,这将是我们接下来的研究重点。参考文献:1 C o x W C.S i m u l a t i o n,M o d e l i n g,a n dD e s i g no fU n-d e r w a t e rO p t i c a lC o mm u n i c a t i o nS y s t e m sD.N o r t hC a r o l i n a,U S:N o r t hC a r o l i n aS t a t eU n i v e r s i t y,2 0 1 2.2 黄爱萍,张莹珞,陶林伟.蒙特卡洛仿真的水下激光通信信道特 性 J.红 外 与 激 光 工 程,2 0 1 7,4 6(4):2 1 9-2 2 4.H u a n gAP,Z h a n gYL,T a oLW.M o n t eC a r l oS i m-u l a t i o no nC h a n n e lC h a r a c t e r i s t i c so fU n d e r w a t e rL a-s e rC o mm u n i c a t i o n