專利名稱：一種水下光傳輸特性的分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光通信領(lǐng)域，特別是一種水下光傳輸特性的分析方法。
背景技術(shù)：
地球上百分之七十的面積都被海水覆蓋著，在海上活躍著大量的民用船只和進(jìn)行海戰(zhàn)的艦船、潛艇等。隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展，水下捕撈、探測、控制等的需要，逐漸形成了水下通信這一個(gè)特殊的應(yīng)用領(lǐng)域。傳統(tǒng)的通信手段，如無線電波通信、水聲通信等已經(jīng)無法滿足水下通信的需求，成了限制水下通信發(fā)展的技術(shù)瓶頸。與傳統(tǒng)的通信技術(shù)相比，光學(xué)通信技術(shù)可以克服傳統(tǒng)通信的帶寬窄、受環(huán)境影響大、可適用的載波頻率低、傳輸?shù)臅r(shí)延大等缺陷。例如，空中飛行器可以利用激光作為載波工具而向水下一定深度處的潛艇發(fā)送通信數(shù)據(jù)。然而由于光在水中的衰減很嚴(yán)重，因而有必要預(yù)先對光在水中傳輸?shù)耐ㄐ判盘栠M(jìn)行分析。目前，關(guān)于光在海水介質(zhì)中傳輸?shù)难芯恳话阌腥N方法分析方法、實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法，其中的分析方法又包括兩種模型，一種是基于生物光學(xué)的衰減模型，一種是衰減系數(shù)模型?；谏锕鈱W(xué)的衰減模型主要是通過分析海水中黃色物質(zhì)、葉綠素、懸浮顆粒等物質(zhì)對光吸收和散射的影響來研究光在水下的衰減特性，其只能用于光在水平方向上的傳輸，而當(dāng)光垂直傳輸時(shí)這種方法就不再適用了 ；衰減系數(shù)模型主要是通過海水的衰減系數(shù)來研究光在水下的衰減特性，其雖然是基于實(shí)測得來數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，比較有說服力，但是當(dāng)光垂直傳輸時(shí)就必須通過實(shí)驗(yàn)測出不同深度下的衰減系數(shù)，如果要求誤差越小，那么所測的值就會(huì)越多，分析方法也就越復(fù)雜，應(yīng)用不方便。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有水下光傳輸特性的兩種分析方法分別存在的上述問題，本發(fā)明提出了一種水下光傳輸特性的分析方法。本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下一種水下光傳輸特性的分析方法，其特征在于包括步驟I :對水體沿深度方向進(jìn)行分層，獲取不同層相應(yīng)的吸收系數(shù)值和散射系數(shù)值，根據(jù)每一層的吸收系數(shù)值和散射系數(shù)值計(jì)算得到相應(yīng)層的漫射衰減系數(shù)；步驟2 :根據(jù)每一層的漫射衰減系數(shù)，計(jì)算每一層的透過率，將每一層的透過率相乘，得到水體通信信道的整體透過率，之后采用截?cái)嗾`差對該整體透過率進(jìn)行修正，得到修正后的整體透過率，該修正后的整體透過率表征了水體的光衰減情況；其中的截?cái)嗾`差表示為E = ^^ h2/\η)其中，E為截?cái)嗾`差，a、b分別為水體深度的邊界值J =(η)為葉綠素
J
高斯分布的表達(dá)式的二階導(dǎo)數(shù)
步驟3 :根據(jù)水體的光衰減情況，輸出水體通信信道的傳輸特性。本發(fā)明的水下光傳輸特性的分析方法利用了綠葉素濃度的垂直分布模型實(shí)現(xiàn)對光在水中通信信道的傳輸特性的分析，相對于現(xiàn)有的衰減系數(shù)模型，由于無需通過實(shí)驗(yàn)測出不同深度下的衰減系數(shù)，方法簡便，易于應(yīng)用。


圖I為本發(fā)明的截?cái)嗾`差E與層數(shù)j之間的關(guān)系圖。圖2為葉綠素濃度在南海幾個(gè)站點(diǎn)的實(shí)測圖。圖3為本發(fā)明采用的葉綠素濃度垂直分布模型圖。圖4為采用葉綠素濃度模型時(shí)海水深度與功率衰減的關(guān)系圖。圖5為采用衰減系數(shù)模型時(shí)海水深度與功率衰減的關(guān)系圖。圖6為葉綠素濃度模型與衰減系數(shù)模型的比較圖。圖7為利用本發(fā)明的分析方法得到的理想天氣條件下功率衰減與傳輸距離的關(guān)系曲線圖。圖8為利用本發(fā)明的分析方法得到的理想天氣條件下誤碼率與傳輸距離的關(guān)系曲線圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明的水下光傳輸特性的分析方法包括步驟I :對水體沿深度方向進(jìn)行分層，獲取不同層相應(yīng)的吸收系數(shù)值和散射系數(shù)值，并根據(jù)每一層的吸收系數(shù)值和散射系數(shù)值計(jì)算得到相應(yīng)層的漫射衰減系數(shù)。由于光信號在水體中的衰減主要是由光吸收和光散射引起的，光吸收主要包括純水體對光的吸收、溶解有機(jī)物對光的吸收、浮游植物對光的吸收、懸浮顆粒及碎屑對光的吸收；光散射主要包括純水體對光的散射、浮游植物對光的散射、小顆粒對光的散射、大顆粒對光的散射。假設(shè)光吸收系數(shù)為Α( λ )，純水體對光的吸收系數(shù)為Aw( λ )，溶解有機(jī)物對光的吸收系數(shù)為Α Μ( λ )，浮游植物對光的吸收系數(shù)為A。( λ )，懸浮顆粒及碎屑對光的吸收系數(shù)為AdU )，則有A(A) = Aw(A)+ACD0M(A)+Ac(A)+Ad(A) (I)又假設(shè)光散射系數(shù)為B( λ )，純水體對光的散射系數(shù)為Bw( λ )、浮游植物對光的散射系數(shù)為B。( λ )、小顆粒對光的散射系數(shù)為Bs( λ )、大顆粒對光的散射系數(shù)為B1 ( λ )，則有B(A) = Bw(A)+Bc(A)+CsBs(a)+CiB1(A) ⑵又假設(shè)光信號在水體中的衰減系數(shù)是Κ( λ)，則有Κ(λ ) = A ( λ ) +B ( λ )由于水體散射作用的存在，描述準(zhǔn)直光束所形成的水下光場的功率衰減不能簡單使用光束衰減系數(shù)Κ( λ)表示，為此，本發(fā)明采用光信號在水體中的漫射衰減系數(shù)k，假設(shè)μ = A ( λ ) +B ( λ )，則漫射衰減系數(shù)k可表示為權(quán)利要求
1.一種水下光傳輸特性的分析方法,其特征在于包括 步驟I :對水體沿深度方向進(jìn)行分層，獲取不同層相應(yīng)的吸收系數(shù)值和散射系數(shù)值，根據(jù)每一層的吸收系數(shù)值和散射系數(shù)值計(jì)算得到相應(yīng)層的漫射衰減系數(shù)； 步驟2 :根據(jù)每一層的漫射衰減系數(shù)，計(jì)算每一層的透過率，將每一層的透過率相乘，得到水體通信信道的整體透過率，之后采用截?cái)嗾`差對該整體透過率進(jìn)行修正，得到修正后的整體透過率，該修正后的整體透過率表征了水體的光衰減情況；其中的截?cái)嗾`差表示為 其中，E為截?cái)嗾`差，a、b分別為水體深度的邊界值
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于計(jì)算得到相應(yīng)層的漫射衰減系數(shù)的步驟表示為
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于計(jì)算每一層的透過率的步驟表示為
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于整體透過率(表示為
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于步驟3之后還包括 獲取機(jī)載激光發(fā)射機(jī)發(fā)出的激光束在到達(dá)水面時(shí)的激光發(fā)射功率； 根據(jù)激光發(fā)射功率以及整體透過率，得出光在水下傳輸時(shí)功率衰減的變化情況，其步驟表示為
6.據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于根據(jù)光功率的衰減、接收機(jī)的靈敏度，計(jì)算光在水下傳輸?shù)木嚯x，其步驟表示為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水下光傳輸特性的分析方法，其特征在于包括1對水體沿深度方向進(jìn)行分層，獲取不同層相應(yīng)的吸收系數(shù)值和散射系數(shù)值，根據(jù)每一層的吸收系數(shù)值和散射系數(shù)值計(jì)算得到相應(yīng)層的漫射衰減系數(shù)；2根據(jù)每一層的漫射衰減系數(shù)，計(jì)算每一層的透過率，將每一層的透過率相乘，得到水體通信信道的整體透過率，之后采用截?cái)嗾`差對該整體透過率進(jìn)行修正，得到修正后的整體透過率；3根據(jù)水體的光衰減情況，輸出水體通信信道傳輸特性。本發(fā)明的水下光傳輸特性的分析方法利用了綠葉素濃度的垂直分布模型實(shí)現(xiàn)對光在水中通信信道的傳輸特性的分析，相對于現(xiàn)有的衰減系數(shù)模型，由于無需通過實(shí)驗(yàn)測出不同深度下的衰減系數(shù)，方法簡便，易于應(yīng)用。
文檔編號H04B13/02GK102638308SQ201210041509
公開日2012年8月15日 申請日期2012年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月22日
發(fā)明者丁元明, 丁麒叡, 杜秀麗, 楊力, 潘成勝 申請人:大連大學(xué)