一种部分相干高斯光束辐照度波动时间特性的确定方法技术

本发明专利技术公开了一种部分相干高斯光束辐照度波动时间特性的确定方法，确定部分相干高斯光类型及海水中的功率谱密度表达式；基于泰勒“冻结”假设，得到时间协方差函数表达式；通过时间协方差函数表达式，得出时间相关系数，并利用三角函数，超几何函数和拉盖尔积分公式化简，得到近似表达式；得出辐照度波动的瞬时功率谱表达式；利用超几何函数和拉盖尔积分公式进行化简，得出辐照度瞬时功率谱的近似表达式；通过改变部分相干光参数和海水特征参数，研究对部分相干高斯光束在海洋弱湍流中辐照度的瞬时功率谱的影响。该方法弥补了当前对光波辐照闪烁进行描述的时间统计模型研究的不足。

【技术实现步骤摘要】
一种部分相干高斯光束辐照度波动时间特性的确定方法
本专利技术属于通信
，特别涉及一种部分相干高斯光束辐照度波动时间统计特性的确定方法，可用于水下无线光通信以及成像系统的性能评估与改进。
技术介绍
近年来，为满足军事，环境，商业和科学研究的需求，水下无线光通信UWOC受到越来越多的关注。相比传统的水声通信，水下无线光通信拥有更高的带宽，更低的时延和更好的安全性。也正是由于这些优势，使得水下无线光通信在通常需要高速和实时数据传输的水下勘测、水下传感器网络、航海等领域发挥着重要作用，同时也使得更多的研究工作开始致力于开发更高速率和更大容量的水下无线光通信系统。UWOC系统的衰落主要是由光束在海水中传播时的光学湍流引起的。光学湍流是由海洋温度和盐度波动引起的折射率的随机波动，可以将接收到的场辐照度描述为空间和时间相关的随机变量。辐照度沿传播路径波动，也称为信号衰落。这种现象会降低光通信和成像系统的性能，因此在无线光通信链路以及遥感应用等方面起着关键作用。不同类型的光在海水中传播时会有不同的性能表现，研究不同光束在海水中的传播性能也是目前水下光通信研究中的重要内容。目前针对UWOC系统衰落现象的研究工作集中在空间统计上，理想情况下辐照度波动和时间之间具有独立性。实际上，移动介质会引出辐照度波动的时间相关性。时间相关性是关键的时间统计数据之一，可用于描述不同时刻的辐照度波动的相关性。同时，目前对光波辐照闪烁进行描述的时间统计模型主要集中在大气湍流，不能直接应用于海洋湍流。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种部分相干高斯光束在海洋弱湍流环境中辐照度波动的时间特性确定方法，以评估部分相干光参数和海洋湍流参数对辐照度的时间相关性和瞬时功率谱的影响，进而提升水下无线光通信系统的性能。实现本专利技术目的的技术思路是，利用部分相干光可以消除完全相干光的成环、散斑、边缘效应和焦移这些有害效应的特性，将部分相干高斯光束运用于水下无线通信，基于泰勒“冻结”假设，推导部分相干高斯光束在海洋弱湍流环境下辐照度的时间相关系数并进行近似化简，基于化简结果研究时间相关性，同时推导部分相干高斯光束在海洋弱湍流环境中的瞬时功率谱函数并进行近似化简，基于化简结果研究部分相干光参数与海洋湍流参数对瞬时功率谱的影响。根据上述思路，本专利技术通过下述技术方案来实现。一种部分相干高斯光束在海洋弱湍流中辐照度波动时间特性的确定方法，包括如下步骤：1)确定部分相干高斯光类型及海水中的功率谱密度，以及部分相干光参数与海洋湍流参数，给出对数振幅协方差表达式；2)基于泰勒“冻结”假设，以及步骤1)的对数振幅协方差表达式，利用欧拉公式推导部分相干高斯光在各向同性海洋湍流中辐照度波动的时间协方差函数表达式；3)根据步骤2)的时间协方差函数表达式，得出部分相干高斯光束在各向同性海洋弱湍流中辐照度波动的时间协方差函数的近似表达式，以及时间相关系数表达式；4)基于步骤2)的时间协方差函数进行傅里叶变换，得出部分相干高斯光束在海洋弱湍流中辐照度波动的瞬时功率谱表达式；5)根据利用超几何函数和拉盖尔积分公式对步骤4)的辐照度波动的瞬时功率谱表达式进行化简，得出部分相干高斯光在各向同性海洋弱湍流中的辐照度波动的瞬时功率谱的近似表达式；6)利用步骤3)得到的时间相关系数表达式和步骤5)得到的辐照度波动的瞬时功率谱的近似表达式，得到部分相干高斯光束在海洋弱湍流环境中的时间特性。所述步骤2)中包括：2a)根据协方差函数与对数振幅协方差的关系，给出辐照度波动的时间协方差函数表达式；2b)基于泰勒“冻结”假设,给出辐照度波动的时间协方差函数表达式；2c)根据1d)中的辐照度波动的时间协方差函数表达式，利用欧拉公式，通过取实部操作后，即可得到部分相干高斯光束在各向同性海洋弱湍流中辐照度波动的时间协方差函数表达式BI(τ,r,L)。所述步骤3)中包括：3a)定义部分相干高斯光束在各向同性海洋弱湍流中辐照度波动的时间相关系数；3b)利用换元法，对辐照度波动的时间协方差函数BI(τ,r,L)进行转换，得到BI(τ,r,L)表达式；3c)通过积分公式，对步骤3b)中辐照度波动的时间协方差函数BI(τ,r,L)因子S1进行化简；3d)通过三角函数公式，积分公式和泰勒级数展开式，对步骤3b)中辐照度波动的时间协方差函数BI(τ,r,L)因子S2进行化简；3e)通过步骤3c)和3d)的结果，以及拉盖尔积分公式，对步骤3b)中的时间协方差函数BI(τ,r,L)进行化简，得出辐照度波动的时间协方差函数的近似表达式BI′(τ,r,L)；3f)通过步骤3e)的结果，得出τ＝0时辐照度波动的时间协方差函数BI′(0,r,L)近似表达式。所述步骤4中包括：4a)对辐照度波动的时间协方差函数进行傅里叶变换，定义辐照度波动的瞬时功率谱WI(w)；4b)将步骤2b)中的BI(τ,r,L)表达式带入到步骤4a)中辐照度波动的瞬时功率谱表达式中，得出在海洋弱湍流环境下辐照度波动的瞬时功率谱表达式；4c)将积分公式代入步骤4b)，得出辐照度波动的瞬时功率谱表达式WI″(w)。所述步骤5)中包括：5a)根据步骤3e)的结果，得到辐照度波动的瞬时功率谱表达式WI(1)(w)；5b)根据步骤5a)的结果，换元得到辐照度波动的瞬时功率谱表达式WI(2)(w)：5c)利用拉盖尔积分公式，代入步骤5b)所得表达式，得到部分相干高斯光束在海洋弱湍流中辐照度波动的瞬时功率谱近似表达式WI(3)(w)。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：本专利技术首先提出了一种部分相干高斯光束在海洋弱湍流环境中的时间特性确定方法。通过泰勒“冻结”假设，得出部分相干高斯光在各向同性海洋湍流中辐照度的时间相关系数表达式和瞬时功率谱表达式；利用三角函数，超几何函数和拉盖尔积分公式化简，得到时间相关系数和瞬时功率谱的近似表达式；通过对部分相干高斯光束在海洋弱湍流环境中时间特性的分析，更加全面的研究了部分相干光参数与海洋湍流参数的影响；同时也是第一次将部分相干高斯光束在海洋弱湍流环境中时间特性研究思路运用于水下。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术的不当限定，在附图中：图1是本专利技术部分相干高斯光辐照度波动时间特性的确定方法流程图；图2是部分相干高斯光束时间相关系数数值解与近似解对比图；图3是时间相关系数在不同海洋流速时关于时间的变化图；图4a)是w0WI(w)在束腰半径取不同值时关于w/w0的变化图；图4b)是wWI(w)在束腰半径取不同值时关于w/w0的变化图；图5a)是w0WI(w)在部分相干度取不同值时关于w/w0的变化图；图5b)是wWI(w)在部分相干度取不同值时关于w本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种部分相干高斯光束辐照度波动时间特性的确定方法，其特征在于，包括下述步骤：/n1)确定部分相干高斯光类型及海水中的折射率起伏功率谱密度，以及部分相干光参数与海洋湍流参数，给出对数振幅协方差表达式；/n2)基于泰勒“冻结”假设，以及步骤1)的对数振幅协方差表达式，利用欧拉公式推导部分相干高斯光在各向同性海洋湍流中辐照度波动的时间协方差函数表达式；/n3)根据步骤2)辐照度波动的时间协方差函数表达式，得出部分相干高斯光束在各向同性海洋弱湍流中辐照度波动的时间协方差函数的近似表达式，以及时间相关系数表达式；/n4)基于步骤2)的时间协方差函数进行傅里叶变换，得出部分相干高斯光束在海洋弱湍流中辐照度波动的瞬时功率谱表达式；/n5)根据利用超几何函数和拉盖尔积分公式对步骤4)的辐照度波动的瞬时功率谱表达式进行化简，得出部分相干高斯光在各向同性海洋弱湍流中的辐照度波动的瞬时功率谱的近似表达式；/n6)利用步骤3)得到的时间相关系数表达式和步骤5)得到的辐照度波动的瞬时功率谱的近似表达式，得到部分相干高斯光束在海洋弱湍流环境中辐照度波动的时间特性。/n

【技术特征摘要】
1.一种部分相干高斯光束辐照度波动时间特性的确定方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)确定部分相干高斯光类型及海水中的折射率起伏功率谱密度，以及部分相干光参数与海洋湍流参数，给出对数振幅协方差表达式；
2)基于泰勒“冻结”假设，以及步骤1)的对数振幅协方差表达式，利用欧拉公式推导部分相干高斯光在各向同性海洋湍流中辐照度波动的时间协方差函数表达式；
3)根据步骤2)辐照度波动的时间协方差函数表达式，得出部分相干高斯光束在各向同性海洋弱湍流中辐照度波动的时间协方差函数的近似表达式，以及时间相关系数表达式；
4)基于步骤2)的时间协方差函数进行傅里叶变换，得出部分相干高斯光束在海洋弱湍流中辐照度波动的瞬时功率谱表达式；
5)根据利用超几何函数和拉盖尔积分公式对步骤4)的辐照度波动的瞬时功率谱表达式进行化简，得出部分相干高斯光在各向同性海洋弱湍流中的辐照度波动的瞬时功率谱的近似表达式；
6)利用步骤3)得到的时间相关系数表达式和步骤5)得到的辐照度波动的瞬时功率谱的近似表达式，得到部分相干高斯光束在海洋弱湍流环境中辐照度波动的时间特性。


2.根据权利要求1所述的部分相干高斯光束辐照度波动时间特性的确定方法，其特征在于，所述步骤1)具体步骤如下：
1a)确定部分相干高斯光为高斯-谢尔模型，设定模型参数；
1b)给出均匀和各向同性的海水中的折射率起伏功率谱密度Φ(κ)表达式：



其中，ε为单位质量海水的动能耗散率；η为柯尔莫哥洛夫微尺度或内尺度；XT表示均方温度耗散率；ω表示温度和盐度对折射率谱的贡献比；κ表示空间频率大小；δ表示与κ和η相关的函数；AT，AS，ATS为常数；
1c)给出高斯光束在海水中的对数振幅协方差表达式：



其中，r1和r2表示接收平面上的两点；L表示发射端与接收端距离；Re[·]表示取实部操作；En(r1,r2)是复相扰动的二阶矩；
1d)给出部分相干高斯光束在海洋湍流中的对数振幅协方差表达式：



其中，k＝2π/λ为光波数，λ为光波波长；与Λ表示接收端波数参数；ξ为空间相干参数；J0(·)表示第一类零阶贝塞尔函数；i为虚数单位；r表示r1和r2的中点，即p和ρ表示r1和r2两点间的距离，且p＝r1-r2，ρ＝|p|。


3.根据权利要求1所述的部分相干高斯光束辐照度波动时间特性的确定方法，其特征在于，所述步骤2)具体步骤如下：
2a)根据协方差函数与对数振幅协方差的关系，给出辐照度波动的时间协方差函数表达式；
2b)基于泰勒“冻结”假设,给出辐照度波动的时间协方差函数表达式；
2c)根据1d)中的辐照度波动的时间协方差函数表达式，利用欧拉公式，通过取实部操作后，即可得到部分相干高斯光束在各向同性海洋弱湍流中辐照度波动的时间协方差函数表达式BI(τ,r,L)。


4.根据权利要求3所述的部分相干高斯光束辐照度波动时间特性的确定方法，其特征在于，所述步骤2a)中，根据辐照度波动的时间协方差函数与对数振幅协方差的关系为：
BI(r1,r2,L)＝4Bx(r1,r2,L)
其中，Bx(r1,r2,L)表示对数振幅协方差函数，BI(r1,r2,L)表示辐照度波动的时间协方差函数，r1和r2表示接收平面上的两点，L表示发射端与接收端距离；
辐照度的时间协方差函数表达式为：



其中，r表示r1和r2的中点，即p和ρ表示r1和r2两点间的距离，且p＝r1-r2，ρ＝|p|；k＝2π/λ为光波数，λ为光波波长；与Λ表示接收端波数参数；ξ为空间相干参数；J0(·)表示第一类零阶贝塞尔函数；i为虚数单位；Φ(κ)为海水折射率起伏功率谱；
所述步骤2b)中，基于泰勒“冻结”假设，得到辐照度波动的时间协方差函数BI(τ,r,L)表达式为：



其中，I0(·)是零阶修正贝塞尔函数；τ表示时间；表示海洋流速；
所述步骤2c)中，利用欧拉公式，将步骤1d)中的因子变换为：



通过取实部操作后，时间协方差函数BI(τ,r,L)表示为：





5.根据权利要求1所述的部分相干高斯光束辐照度波动时间特性的确定方法，其特征在于，所述步骤3)具体步骤如下：
3a)定义部分相干高斯光束在各向同性海洋弱湍流中辐照度波动的时间相关系数；
3b)利用换元法，对辐照度波动的时间协方差函数BI(τ,r,L)进行转换，得到BI(τ,r,L)表达式；
3c)通过积分公式，对步骤3b)中辐照度波动的时间协方差函数BI(τ,r,L)因子S1进行化简；
3d)通过三角函数公式，积分公式和泰勒级数展开式，对步骤3b)中辐照度波动的时间协方差函数BI(τ,r,L)因子S2进行化简；
3e)通过步骤3c)和3d)的结果，以及拉盖尔积分公式，对步骤3b)中的时间协方差...

【专利技术属性】
技术研发人员：王平，顾士忠，邹正兴，宋晓慧，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61