海水信道下激光通信性能分析

发布时间：2020-07-21 15:36

【摘要】：蓝绿激光水下通信是近年来水下通信的研究热点之一。随着水下传感与机器人、水下激光雷达、水下图像传输、水下光通信等应用的兴起,深入研究激光束在水下的湍流效应及通信性能就显得尤为重要。激光束在水下传输过程中受到散射、吸收的衰减效应,限制了激光束在水下的传输距离,降低了水下激光通信质量,故如何提高水下通信质量降低误码率等相关问题尤为重要。为了降低海洋湍流对水下系统链路性能的影响,本文提出了具有抗大气湍流的性质的处于蓝绿波段的光孤子形脉冲和贝塞尔光束应用于水下传输系统。首先,介绍了海洋吸收、散射、湍流的基础理论,介绍了激光在水下传输的研究方法,包括Born近似法,Rytov近似法、随机相位屏法、小角度分析法、蒙特卡罗法。其次,假定水下通信系统是开关键控OOK调制的情况下,利用激光在水下的传输过程的研究方法结合海洋弱湍流Lognormal模型,首先推导出了光孤子、矩形、高斯光束的水下通信的闪烁系数模型和误码率模型,分析了不同动能耗散率、温度方差耗散率、Kolmogorov微尺度、盐度变化与温度变化诱致的比值、接收孔径时信噪比与误码率的关系、距离与时域展宽的关系,通过与高斯和矩形光束对比,验证了光孤子脉冲用于水下通信的优势,为下一步研究提供理论参考;其次,利用傅里叶变换和随机相位屏的方法仿真了贝塞尔光束经过海洋湍流后的光斑情况,推导出了贝塞尔光束水下通信受湍流扰动的Rytov一阶干扰项,结合Matlab数值模拟了不同海洋参数下的贝塞尔中心亮斑与闪烁系数的关系和通信距离与误码率的关系从而得到了贝塞尔光束中心亮斑直径的大小对闪烁系数的影响和不同湍流系数对误码率的影响。最后,设计了强度调制/直接检测开关键控OOK调制格式的贝塞尔光束、高斯光束的不同信道下的水下通信实验,搭建了清水、湍流、水流、气泡和散射剂信道下速率为1-4MHz的方波信号传输实验和清水、湍流、水流信道的速率为2.406Mbps的二进制数字通信实验,分析了不同信道下的信号波形和峰值抖动和功率与通信误码率的关系,通过与高斯光束对比,验证了贝塞尔水下通信抗湍流和水流的优势。本文研究的内容对未来水下无线光通信领域的实用化等有一定的参考价值。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.1
【图文】：

误码率,水下激光,通信系统,通信距离

a） b）图 1.1 6m-10Gbps 水下通信系统a）通信系统实验原理图 b）2、4、6m 水下系统误码率与星座图1.2.2 改善水下无线激光通信性能国内外现状在海水信道中，随着通信距离越长，受散射、吸收、湍流的影响，信号幅度降，信噪比降低，最终导致水下激光通信系统的误码率提升，最远通信距离受限。此，国内外学者提出了很多有效的减少误码率，提高信噪比的方法，例如利用编码术、多发射多接收、增大发射端功率、特殊波形等方法，如下：2011 年，上海光机所设计了一套水下无线光通信系统，该系统用 PPM 调制为调制方式，对信号编码和解码的处理处理模块的带宽为 20MHz，水下通信系统装放置在中船 702 的水池中，该实验实现了距离为 125m，传输速率为 10 kbps 的通且误码率（BER）小于 10-5。2012 年，上海光学精密机械研究所胡思齐等提出了用最大比合并分集接收技（MRC）提升水下激光通信系统的通信质量。由理论分析和仿真结果可知，最大比

水下通信,误码率

实验装置图如下图所示[59]：a） b）图 1.1 6m-10Gbps 水下通信系统a）通信系统实验原理图 b）2、4、6m 水下系统误码率与星座图1.2.2 改善水下无线激光通信性能国内外现状在海水信道中，随着通信距离越长，受散射、吸收、湍流的影响，信号幅度下降，信噪比降低，最终导致水下激光通信系统的误码率提升，最远通信距离受限。为此，国内外学者提出了很多有效的减少误码率，提高信噪比的方法，例如利用编码技术、多发射多接收、增大发射端功率、特殊波形等方法，如下：2011 年，上海光机所设计了一套水下无线光通信系统，该系统用 PPM 调制作为调制方式，对信号编码和解码的处理处理模块的带宽为 20MHz，水下通信系统装置放置在中船 702 的水池中，该实验实现了距离为 125m，传输速率为 10 kbps 的通信，且误码率（BER）小于 10-5。2012 年

误码率,信道,湍流

6图 1.3 空水混合信道 256Gbps 通信误码率图[60]激光水下通信中，海洋散射、湍流为主要的影动引起了误码率显著提高，通信质量下降的十码技术、多发射多接收、增大发射端功率、特ido Balsells[18]的研究中可以看出，光孤子形脉湍流特性的。从 2017 年华中科技大学 Yifan Z尔光束具有气泡容忍和湍流容忍的性质，使

【参考文献】