基于藍(lán)綠激光的海水信道特性分析

關(guān)云靜

（西安交通工程學(xué)院 中興通信學(xué)院，陜西 西安 710300）

0 引 言

21世紀(jì)，水下光學(xué)通信技術(shù)已經(jīng)成為一項(xiàng)研究熱點(diǎn)。其干預(yù)能力強(qiáng)，不易受外部因素影響，而且可以在大容量數(shù)據(jù)下進(jìn)行傳輸，因此掌握水下通信的主要技術(shù)在水下戰(zhàn)場上絕對有利[1-3]。海水中的光傳輸比大氣中更復(fù)雜，因?yàn)楹Ｋ胁粌H存在水分子，而且還包括其他生物體。這些生物的吸收和散射作用導(dǎo)致光在傳輸過程中會(huì)發(fā)生衰減[4]。本文通過分析海水物質(zhì)的衰減和由光束擴(kuò)展引起的損耗，建立了基于生物光學(xué)特性的海水信道衰減模型，得出了水下通信的光衰減主要取決于海洋本身的結(jié)論，可為水下無線光通信系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 基于光束擴(kuò)展損耗的仿真分析

光源的接收孔徑半徑與傳播距離和發(fā)散角有關(guān)[5]。利用MATLAB仿真可以得到點(diǎn)光源接收孔徑的半徑與傳播距離在不同發(fā)散角下的關(guān)系曲線圖，如圖1所示。

從圖1可以看出，光束會(huì)隨著距離的增加而發(fā)散。當(dāng)傳輸距離恒定時(shí)，發(fā)散角越大，接收孔徑的半徑越大。當(dāng)發(fā)散角恒定時(shí)，接收半徑隨著傳輸距離的增加而增加。

圖1 接收孔徑的半徑與傳播距離在不同發(fā)散角的關(guān)系曲線

2 海水激光通信信道模型仿真分析

文章討論了深海水域、近海水域以及沿?；鞚崴?種不同類型海域的情況。其中，深水海域葉綠素濃度最大值達(dá)到0.011 mg/m3。如果光源的發(fā)射功率是140 dB，利用MATLAB仿真計(jì)算，可以得到深海水域接收功率與傳輸距離的關(guān)系曲線如圖2所示。

從圖2可以看到，在深海區(qū)域，通信特性優(yōu)選為藍(lán)色光譜，所以發(fā)射光源盡量選擇藍(lán)色光譜范圍內(nèi)。

圖2 深海水域接收功率與傳輸距離的關(guān)系曲線

在近海區(qū)域，葉綠素濃度最大值在0.03～1.25 mg/m3之間，如果光源的發(fā)射功率是140 dB，利用MATLAB仿真計(jì)算，可以得到近海水域接收功率與傳輸距離的關(guān)系曲線如圖3所示。

從圖3可以看到，藍(lán)色光譜在海水中傳輸特性較差，因此不應(yīng)該選用藍(lán)光譜作為發(fā)射光源。

圖3 近海水域接收功率與傳輸距離的關(guān)系曲線

在沿海混濁水域，葉綠素濃度最大值為1～12 mg/m3，如果光源的發(fā)射功率是140 dB，利用MATLAB仿真計(jì)算，可以得到沿海混濁水域接收功率與傳輸距離的關(guān)系曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，葉綠素逐漸增加到2 mg/m3時(shí)，傳輸距離隨著葉綠素濃度的增加而減小。葉綠素濃度為6 mg/m3時(shí)，傳輸距離特別短，紅光透射特性最佳。

圖4 沿?；鞚崴蚪邮展β逝c傳輸距離的關(guān)系曲線

葉綠素濃度的增加影響著可見光，這導(dǎo)致水下距離的永久減少。只有通過增加Pt輻射源的發(fā)射功率才能獲得良好的通信質(zhì)量。在海水深度一樣處，可以將葉綠素濃度看成是均勻的。即當(dāng)作葉綠素在水平通信系統(tǒng)中濃度是不變的，這樣隨著傳輸距離的增加，衰減系數(shù)也會(huì)增大，接收到的光功率會(huì)越小。

3 結(jié) 論

本文對光束的幾何損耗進(jìn)行了MATLAB仿真計(jì)算。光束的擴(kuò)展隨著距離的增加而增加。當(dāng)發(fā)散角一定時(shí)，接收半徑也隨著傳輸距離而增加。傳輸距離一定時(shí)，發(fā)散角越大，接收孔徑的半徑越大。若海水中深度一樣，則葉綠素可以看成是均勻的。最后，根據(jù)深海水域、近海水域以及沿海混濁水域3種不同類型的海水條件評估了水下光信號(hào)衰減的影響，對海水通信信道模型進(jìn)行了建模和計(jì)算。