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专利号: 2020109962661
申请人: 西安理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 电通信技术
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种水下激光通信系统的信道建模方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1、建立非视距水下单粒子几何散射模型;

步骤2、基于模拟前后向双峰值散射的二项HG函数,得到非视距信道脉冲响应理论值表达式,具体包括以下步骤:

步骤2.1、基于二项HG函数模拟前后向双峰值散射特性,得到散射相位函数的表达式为:

ζ(θs)=aζf(gf,θs)+(1‑a)ζb(gb,θs)               (4)式(4)中,θs为散射角;a为前向相位函数的权重,取值为(0,1);ζf、gf分别为前向散射相位函数及不对称因子;ζb、gb分别为后向散射相位函数及不对称因子;μ为散射角余弦值即μ=cosθs;

则发送端光束经散射体散射后的总能量为:式(5)中, 为微元粒子散射总能量;

粒子径向及角坐标ψ=l1+l2/l,η=l1‑l2/l;其中,l为理想传输路径,即发射与接收端的最短直线距离;l1为发射端至散射体所在的有效散射区域的距离;l2为散射体所在的有效散射区域至接收端的距离;则光子经路径l2传输后,接收端单位接收面积的能量为:式(6)中,ET为发射端发送能量;b为散射系数;d为衰减系数;Ωt为发射光束立体角;χ为散射体V至接收端的向量与接收视场角中心轴的夹角; 为散射体的体积微元;

步骤2.2、将式(5)代入接收端单位接收面积能量表达式得到式(6)后,结合散射体体积微元表达式得有效散射后接收端的能量:式(7)中,φ为粒子方位坐标;

步骤2.3、将ψ=ct/l代入式(7)化简后得信道脉冲响应理论值的表达式为:式(8)中,c为光速,t为时间;α1、α2为发射、接收方位角,β1为发射束散角,β2为接收视场角;

步骤3、基于水下光子传输路径进行MC仿真验证。

2.如权利要求1所述的一种水下激光通信系统的信道建模方法,其特征在于,所述步骤

1具体为:将系统噪声假设为加性的高斯分布,基于激光光源的非视距水下激光通信系统建立水下信道等效数学模型: 其中,x(t)为发送端信号,n(t)为加性高斯白噪声,独立于发送光信号,y(t)为接收端接收信号,h(t)为信道脉冲响应。

3.如权利要求1所述的一种水下激光通信系统的信道建模方法,其特征在于,所述步骤

3具体为:

步骤3.1、采用MC法模拟光子轨迹,运用方位角α1及散射角θs表征散射方向;其中方位角α1∈(0,2π),天顶角γ1∈(0,π/2),散射角为θs;构建笛卡尔坐标系XOY,并假定水体为理想状态,水深为Ho;将产生高斯光束的原点视为坐标原点O(0,0,0);初始状态为存活;初始权重w0=1;初始运动方向向量S0(0,0,1),即光子运动方向与坐标轴x,y,z的夹角余弦值;随机运动步长L;光子的初始运动方向S0(u0,v0,w0),经一次散射后的新运动方向变换为S1(u1,v1,w1),依次类推;

步骤3.2、设海水体积衰减系数为d,光子经一次散射后的随机运动步长L与光子被吸收‑dL

或被散射的概率P(t)满足关系式:P(t)=de ,则得L=‑lnP(t)/d;其中,P(t)为均匀分布于(0,1)之间的随机数;

步骤3.3、光子随机运动步长L至新位置,由MC法随机抽样判定其消光类型;

步骤3.4、方位角α1在(0,2π)内服从均匀分布,直接抽样得α1=2πrα,采用二项H‑G函数抽样以得到散射角θs;其中,rα为分布于(0,1)间的随机数;第j次随机散射事件对应的权重满足wj>0.9999或wj≈1,即光子运动方向无限趋近于z轴方向时,其方向余弦为:uj=sinθs*cosα1;vj=sinθs*sinα1;wj=sign(wj‑1)cosθs;则推广得光子经历第j次散射事件后的坐标为: y(j)=y(j‑1)+vjL;z(j)=z(j‑1)+wjL;以随机运动距离、散射角量化存活时间及散落范围,以光子位置及接受面光子判断散射度及接收面光强,得到其信道脉冲响应的MC仿真曲线,以验证步骤2所得的信道脉冲响应理论值。

4.如权利要求3所述的一种水下激光通信系统的信道建模方法,其特征在于,所述步骤

3.3中的判定准则具体为:若吸收率φa=a/d,生成随机数ra∈(0,1),且满足ra>φa,则被吸收,存活状态为湮灭;反之继续传输,权重更新为wp=wp‑1*φa;同理,若散射率φb=b/d,生成随机数rb,且满足rb>φb,则被散射,权重更新为wp=wp‑1*φb。