本文首先海水信道特征概要進行簡單描述,水下光學無線通信中的海水信道特征主要包括海水信道具有吸收光數據信號的特征以及海水信道具有散射光數據信號的特征,這些特征導致光在海水中傳輸時,出現衰減現象。然后根據這些特征建立了水下光學無線通信中的海水信道特征模型,包括一個衰減參數函數、光吸收函數、光散射函數以及經過衰減后接收光數據總能量。
潛艇在海水中運行時,需要與傳感器以及水面艦艇指揮中心等進行溝通聯系,這就需要使用到在海水中通信這一技術,在海水中進行通信與在陸地上有很大區別。利用海水作為信息傳輸的通道進行數據傳播的途徑,就是海水信道。近年來,水下聲學或光學數據傳感采集探測技術發展迅速。
相比水下聲學通信來說,水下光學通信具有受周圍環境影響小、傳輸數據量大、傳輸耗時少以及載波頻率高等優點。由于光波的這些優點使得光學無線通信越來越廣泛地應用于水下通信中,在光學無線通信中,影響通信功效的重要因素就是海水信道的光學特征。本文首先對水下光學無線通信中的海水信道特征概要進行簡單描述,然后建立水下光學無線通信中的海水信道特征模型,最后對基于水下光學無線通信海水信道特征模型進行仿真修正分析。
1.水下光學無線通信中的海水信道特征概要
水下光學無線通信中的海水信道特征主要包括海水信道具有吸收光數據信號的特征以及海水信道具有散射光數據信號的特征。與光數據信號在空氣中傳播相比較,光數據信號在海水中的傳播過程非常復雜,這主要是由于海水信道中存在很多影響光傳輸的不確定性因素。這些不確定因素導致海水信道呈現出吸收光以及散射光的特征,海水信道對光的吸收及散射導致光數據信號在海水中傳播時出現衰減現象,從而影響光數據信號在海水信道中的傳播。
海水信道具有吸收光的特征:海水信道之所以能夠吸收光,是因為海水中所含有的物質成分能夠吸收光。而海水中所包含的成分是非常復雜的,概括起來可以分為水分子、懸浮體、無機溶解質以及各種有機物等,但是不同海域其包含的成分各有不同,即使相同海域不同位置包含的物質成分也有所不同。海水是一種非常復雜的生物、物力以及化學等相結合的系統,而海水中含有的一些物質對光具有吸收性,例如營光合作用的藻類生物以及黃色物質等。
海水信道具有散射光的特征:由于海水中包含的物質成分的復雜性,也使得海水信道對光數據信號的散射性非常復雜。海水中能夠對光進行散射的物質主要包括:水分子、懸浮粒子以及透明物質等。水分子對光的散射性符合瑞利散射特征,懸浮粒子對光的散射性符合米氏散射特征,米氏散射的大小取決于海水中懸浮粒子的濃度以及粒子的大小。而透明物質對光的散射性是由于透明物質能夠折射光所引發的。
2.水下光學無線通信中的海水信道特征模型
根據水下光學無線通信中的海水信道特征,可以建立一個關于海水信道特征的模型。我們已經知道光學無線通信的海水信道特征主要包括吸收光以及散射光,從而引發光在海水中傳播時出現衰減現象。所以我們假設光在海水中的衰減參數為D,被吸收參數為A,被散射參數為S,光的波長為W,那么 。這說明,光數據信號在海水中的衰減也受到光波長的影響,衰減參數、吸收參數以及散射參數都是光波長的函數。
下面我們將分別對光吸收函數、光散射函數以及經過衰減后接收光數據總能量進行分析。
光吸收函數:在海水中,能夠吸收光數據信號的物質分子很多,在此,我們先將主要的吸收光的因素歸結起來,然后再進行函數修正分析。
海水中吸收光的物質主要包括:營光合作用的藻類以及CDOM(有色可溶性有機物)等,而營光合作用的藻類中,主要是利用葉綠素來吸收光。此外,還海水中能夠吸收光的因素還包括海水以及有機碎屑以及礦物顆粒等。所以我們假設水的吸收參數為WA,葉綠素的吸收參數為C,CDOM的吸收參數為CD,有機碎屑以及礦物顆粒的吸收參數為M。其中C(W)等于葉綠素總濃度的修正值除以濃度常數修正值乘以葉綠素光譜系數。
光散射函數:海水中的水分子、懸浮粒子以及透明物質等都可以對光進行散射作用。而散射規律主要包括米氏散射和瑞利散射。瑞利散射發生的條件是海水粒子的直徑小于光波長,其特點是波長的四次方與散射強度成反比。米氏散射較為復雜,粒子直徑與光波長的差距越大,散射分布越復雜。根據粒子直徑,我們可以認為光散射函數是由水分子參數、葉綠素參數、小顆粒參數以及大顆粒參數組成。
經過衰減后接收光數據總能量:光數據信號從傳輸端發出后,經過海水信道,受到海水傳播中光衰減的影響,并且也會受到傳輸端與接收端孔徑引發的衰減效力,最后才傳輸到接收端。經過衰減后接收光數據總能量是發射功率、幾何衰減、海水總衰減參數D(W)以及傳輸距離的函數。
3.基于水下光學無線通信海水信道特征模型仿真修正分析
任何一個模型在建立起來后,都需要進行仿真驗證以及對函數進行修正等。基于水下光學無線通信海水信道特征模型仿真分析主要包括:在水下光學無線通信中海水信道特征函數仿真驗證以及傳播誤碼率分析。我們選取一個海域的相關數據以及光傳播的相關數據,然后將這些數據代入模型函數中,看最后得出的結果與實際接收到的數據量的區別,然后根據這一區別進行傳播誤碼率分析以及函數修正,修正后再選取另一個海域與光傳播的數據,進行仿真驗證,直到仿真實驗后的結果與實際量的差距在誤差允許范圍之內后為止。
4.結論
影響光吸收函數的因素主要包括:水的吸收參數、葉綠素的吸收參數、CDOM吸收參數以及有機碎屑礦物顆粒吸收參數等。影響光散射函數的因素主要包括:水分子參數、葉綠素參數、小顆粒參數以及大顆粒參數等。最后對基于水下光學無線通信海水信道特征模型進行仿真修正分析。基于水下光學無線通信海水信道特征模型仿真分析主要包括:在水下光學無線通信中海水信道特征函數仿真驗證以及傳播誤碼率分析。
