跨介质蓝绿激光上行通信系统研究

发布时间：2020-07-31 12:07

【摘要】：近年来,跨介质通信作为当下的研究热点被广泛关注,其主要应用场景为水下平台与陆地平台、空中平台和卫星之间的互联互通。随着数据量的提升与云计算的发展,水下通信对传输速率、安全性和稳定性都提出了更高的要求。当前,国内外跨介质通信的主要手段是利用无线电进行数据传输,然而,海水对无线电的吸收作用很强,传输过程中能量损耗较大,严重影响通信质量。研究证实,海水中也存在一个类似大气中存在的透光窗口,蓝绿光波段在海水中的衰减远小于其他波段。因此,蓝绿激光通信在跨介质通信中扮演起了重要角色。值得注意的是,现有的文献研究大多都集中在蓝绿激光的下行通信,上行通信的研究相对较少。蓝绿激光上行传输的信道更为复杂,特别是海/气界面处,激光从光密介质向光疏介质传播,海面的随机波动会导致接收面光斑的扩展、闪烁和漂移,致使通信性能产生变化,恶劣的海况甚至可能中断通信进程。本文在对蓝绿激光上行通信的研究中,首先,建立了跨介质蓝绿激光通信的系统模型。其次,分别对海水和大气信道的组成以及各种悬浮微粒对激光散射与吸收的影响进行了深入分析,研究了海/气界面处的几何光学特性,理论计算了理想海面倾斜角下的接收面光斑直径与光束中心漂移,利用P-M谱和ITTC建议的方向函数,模拟了三维随机海面模型。然后,通过对跨介质蓝绿激光上行通信的信道衰减进行分析,得到系统路径损耗的计算表达式,并详细地分析了系统参数对路径损耗的影响。通过研究接收机噪声,确定了背景光噪声与接收机热噪声为系统主要的噪声来源,得到归一化信噪比表达式,确定了系统的最佳接收视场角。选择OOK调制方式,基于系统的链路特性分析了链路速率与发射功率对误码率的影响。通过逆推系统平均发射功率,验证系统可行。针对不同水域理论计算了系统的信道时延。最后,利用蒙特卡洛方法对跨介质蓝绿激光上行传输进行仿真,并针对跨介质传输改进模拟算法对系统的传输特性进行研究,就不同信道传输距离和海面风速分析了蓝绿激光传输的光场分布与时延展宽。本文的研究工作将为跨介质蓝绿激光通信试验样机的研制提供相应的理论基础,提供一种跨介质远距离通信方式,并为水下平台与空中平台的上行通信增加一种可能的通信手段。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.1
【图文】：

吸收系数,叶绿素,黄色物质

第二章激光上行通信系统信道分析9图2.1 不同波长的叶绿素吸收系数叶绿素的吸收系数通常可以表示为浓度与单位吸收系数acμ′的乘积ac acμ Cμ′= (2-1)其中，比例系数C 表示海水中含有的叶绿素浓度，单位为3mg m 。单位吸收系数一般可选取1 30.025m / mg m [32]。黄色物质的吸收系数通常可以表示为0 0( ) exp[ ( )]ay ay=μ μ λ fλ λ(2-2)其中0λ 取 400nm，参数 f 在不同的水体环境中取值不同，取值区间为 0.011~0.018，通常选取 0.014，不同波长的黄色物质吸收系数如图 2.2 所示[33]。图2.2 不同波长的黄色物质吸收系数不同水域的悬浮矿物质泥沙等也不尽相同，因此对应的吸收系数也有较大差异，悬浮矿物质泥沙吸收系数近似可以表示?

吸收系数,矿物质,黄色物质,水域

[33]。图2.2 不同波长的黄色物质吸收系数不同水域的悬浮矿物质泥沙等也不尽相同，因此对应的吸收系数也有较大差异，悬浮矿物质泥沙吸收系数近似可以表示为

矿物质,吸收系数,泥沙

λ 取 400nm，参数 f 在不同的水体环境中取值不同，取值区间为 0.011~0.018，通常选取 0.014。不同波长的悬浮矿物质泥沙吸收系数如图 2.3 所示。图2.3 不同波长的悬浮矿物质泥沙吸收系数2.1.3 海水的散射特性光在介质体中传输，光子的方向改变而其他性质保持不变的随机过程，被称为光的散射。在光的散射过程中，光子没有消失，也没有损耗自身所携带的能量，仍然存在于介质体中，仅仅偏离了自身传输的准直方向。海水中存在众多悬浮物质，因此光在海水中的传播必定离不开散射，而且是多次散射，造成光子散射的主要因素是各种近似光波长的悬浮颗粒。海水的散射导致光在传输过程中光的路径异常复杂，在研究散射过程中，主要研究散射方向角的相关函数，通常使用自变量为散射角的函数来表示散射特性，即体积散射函数。海水散射的过程非常复杂，通常认为是海水自身的纯水的散射与海水中悬浮物质的散射共同作用的结果。纯水引起的散射过程一般只和自身的温度压强等因素有关

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