水下无线光通信光信道仿真方法及仿真系统技术方案

本发明专利技术公开了一种水下无线光通信光信道仿真方法及仿真系统，方法包括步骤：选择待模拟的光源类型，产生光脉冲，定义光子的初始位置和当前的方向余弦；并根据不同的水质类型定义不同的水质参数；随机选择光程、散射角和方位角等，更新光子权重，模拟光子在所选水质条件下的信道传输；在接收器端对检测过的光子进行标记和计数。本发明专利技术能够解决水下光场数据难以采集测试、水下光通信系统的整体系统设计验证困难的问题，为设计人员提供系统仿真工具，充分考虑水下光通信系统的各种参数，可根据实际项目需求更改参数，满足工程设计要求。

【技术实现步骤摘要】
水下无线光通信光信道仿真方法及仿真系统
本专利技术属于水下无线光通信
，具体涉及一种水下无线光通信光信道仿真方法及仿真系统。
技术介绍
为了满足快速增长的水下人类活动，对高传输速率，大带宽的水下数据通信链路的需求不断增长。水下无线光通信以其信道容量大、抗干扰能力强、安全性高、器件尺寸小等优势为水下通信带来了新的解决办法。相比于射频和水声通信，水下无线光通信是一种新兴的高带宽、低时延和高传输速率的技术，国内外研究人员都对水下无线光通信产生了很大兴趣，进行了科学、环境和商业等方面的研究。水下无线通信所面对的问题是在水信下道环境中水对光所造成的吸收损耗，光的散射，以及湍流和气泡等。在设计制备水下光通信系统时，需重点观测水下信道特性，才能设计出符合特定需求的通信设备。但是由于水下环境的复杂和不确定中，实际测试和构建水下系统都是十分困难的。人力成本高：需要较高的技术要求；时间成本高：需要长时间多次测量；资金成本高，海洋探测仪器昂贵，测试条件花费高昂，尤其是深海领域。即使测量到数据，也会随着海洋湍流等因素的变化与实际情况不符合。
技术实现思路
技术目的：针对上述技术问题，本专利技术提出了一种水下无线光通信光信道仿真方法及仿真系统，能够解决水下光场数据难以采集测试、水下光通信系统的整体系统设计验证困难的问题，有助于水下光通信系统设计人员更好的设计实际系统，节约了成本，提高了效率。技术方案：为实现上述技术目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种水下无线光通信光信道仿真方法，其特征在于，包括步骤：S1、产生光脉冲：选择待模拟的光源类型，产生光脉冲，定义光子的初始位置和当前的方向余弦；并根据不同的水质类型定义不同的水质参数，水质参数包括水衰减系数c和反照率ω0，然后选择本次仿真的水质类型；S2、模拟光子在所选水质条件下的信道传输：S2.1、选择光子包，根据水质参数计算光子下一步的光程即传输距离l、结合光子当前的方向余弦，计算得到新的光子位置信息；对光子的方向余弦进行更新，进一步更新光子移动后的位置信息；光子沿不断更新的位置信息进行传输，在传输路径的起始段设置第一光子检测位，用于对光子的能量进行调整，如果调整后的光子能量小于预期阈值，光子继续传输，否则将此光子的状态记为终止状态；S2.2、在传输路径的后端设置第二光子检测位，用于对光子的传输状态进行检测，如果光子沿预设方向和范围传输，则进入下一步；否则返回步骤S2.1，重新执行；S3：接收器模拟光子接收：在接收器端设置第三光子检测位，用于检测光子是否传输到接收器且满足接收器的参数条件，并对检测过的光子进行标记和计数。优选地，还包括步骤S4、显示水下光通信光子传输的模拟结果：以图形界面的方式，显示不同模拟条件下，接收器的光子分布情况、系统的脉冲响应图和系统的频率响应图。优选地，所述步骤S1中，根据与光源类型对应的分布函数，由光发射模拟器产生光脉冲，定义光子的初始位置(x0，y0，z0)和光子当前的方向余弦(μx，μy，μz)，光子当前的方向余弦定义为单位矢量在传播方向上投影在x，y和z轴上的单位余弦。优选地，所述步骤S2.1中，确定光子下一步的传输距离l的公式如下：其中，c为衰减系数，R为在[0，1]之间均匀分布的随机数；所述步骤S2.2中，选择Fouriner-Forand体积散射函数作为模拟水质的函数，根据散射体积函数计算得到散射角度θ：其中，R为[0，1]上的随机数，θ′为被选择的散射角，为体积散射函数；根据传输距离l和光子当前的方向余弦(μx，μy，μz)确定光子步长(xstep，ystep，zstep)，即(lμx，lμy，lμz)。优选地，所述步骤S2.1中，对光子的方向余弦进行更新的计算公式如下：其中，θ′表示新的散射角度、φ′表示新的方向角，(μ′x，μ′y，μ′z)表示新的方向余弦，φ′表示新的方向角，方向角为[0，2π]上均匀分布的随机数；根据传输距离l和新的方向余弦(μ′x，μ′y，μ′z)确定新的光子位置(x′，y′，z′)。优选地，所述步骤S2.1中，对光子的能量进行调整的计算公式如下：wn+1＝wnω0(4)其中，wn为当前的光子权重，wn+1为新的光子权重，ω0为反照率。优选地，所述步骤S3中，检测光子是否满足能够到达接收器并为接收器所接收的条件，光子的坐标记为(x，y，z)，包括步骤：S3.1、当光子包中z坐标大于光接收器的位置时，光子传输到接收器；根据光子包中的(x，y)坐标值判断是否位于接收器孔径内，若在接收孔径内，将光子标记值记为1，表示已接收；若不在接收器内，将光子标记值记为-1，表示未接收；S3.2、判断光子的极角是否在接收器的视场角内；S3.2、计算接收光子能量的均值和方差：将接收器中的总光子能量取平均值，获得每个接收器的平均光子能量，且将未接收的光子能量求其平均值，用来得到归一化的强度值；平均权重由以下公式计算：其中，为接收器中的平均光子功率，wi为第i个接收光子的能量大小，Ntot为总传输光子数，Nrx为接收到的光子数；此时未被接收的光子能量视为0；通过路径权重对每个元素进行加权，了解接收器的统计特性，使用下面的公式进行计算：使用以下方程组迭代计算样本和总体的方差：其中xn表示新的样本，表示样本的均值。优选地，所述步骤S1中光源类型包括点扩散光束、高斯光束和改进的Lambertian光束。本专利技术还公开了一种水下无线光通信光信道仿真系统，用于实施所述方法，其特征在于，包括：光发射模拟器，内置一种以上类型的光源，用于产生光脉冲，定义光子的初始位置和当前的方向余弦；水光场情况模拟处理器，用于根据不同的水质类型定义不同的水质参数，水质参数包括水衰减系数c和反照率ω0；选择每次仿真的水质类型；用于模拟光子在所选水质条件下的信道传输；光接收模拟器，用于模拟光子接收，并统计光子的接收情况；水下无线光通信系统模拟App，包括图形用户界面，用于配置测试参数、执行测试和显示测试结果。优选地，所述水下无线光通信系统模拟App，包括在显示屏上显示的仿真条件输入列表框、仿真结果显示窗口和开始按钮，其中，仿真条件输入列表框包括仿真光子个数输入框、通信距离输入框、接收器的视场角输入框、接收器的孔径大小输入框和水质类型选择框；仿真结果显示窗口用于当用户在仿真条件输入列表框中输入参数并点击开始按钮后，显示仿真结果图，包括接收器的光子分布情况图、系统的脉冲响应图和系统的频率响应图。有益效果：由于采用了上述技术方案，本专利技术具有如下技术效果：本专利技术提出的一种水下无线光通信光信道仿真方法及仿真系统，能够解决水下光场数据难以采集测试、水下光通信系统的整体系统设计验证困难的问题，能够更好的为水下无线光通信系统设计人员提供系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下无线光通信光信道仿真方法，其特征在于，包括步骤：/nS1、产生光脉冲：选择待模拟的光源类型，产生光脉冲，定义光子的初始位置和当前的方向余弦；并根据不同的水质类型定义不同的水质参数，水质参数包括水衰减系数c和反照率ω

【技术特征摘要】
1.一种水下无线光通信光信道仿真方法，其特征在于，包括步骤：
S1、产生光脉冲：选择待模拟的光源类型，产生光脉冲，定义光子的初始位置和当前的方向余弦；并根据不同的水质类型定义不同的水质参数，水质参数包括水衰减系数c和反照率ω0，然后选择本次仿真的水质类型；
S2、模拟光子在所选水质条件下的信道传输：
S2.1、选择光子包，根据水质参数计算光子下一步的光程即传输距离l、结合光子当前的方向余弦，计算得到光子步长；
对光子的方向余弦进行更新，更新光子移动后的位置信息；
光子沿不断更新的位置信息进行传输，在传输路径的起始段设置第一光子检测位，用于对光子的能量进行调整，如果调整后的光子能量小于预期阈值，光子继续传输，否则将此光子的状态记为终止状态；
S2.2、在传输路径的后端设置第二光子检测位，用于对光子的传输状态进行检测，如果光子沿预设方向和范围传输，则进入下一步；否则返回步骤S2.1，重新执行；
S3：接收器模拟光子接收：在接收器端设置第三光子检测位，用于检测光子是否传输到接收器且满足接收器的参数条件，并对检测过的光子进行标记和计数。


2.根据权利要求1所述的水下无线光通信光信道仿真方法，其特征在于，还包括步骤S4、显示水下光通信光子传输的模拟结果：
以图形界面的方式，显示不同模拟条件下，接收器的光子分布情况、系统的脉冲响应图和系统的频率响应图。


3.根据权利要求1所述的水下无线光通信光信道仿真方法，其特征在于，所述步骤S1中，根据与光源类型对应的分布函数，由光发射模拟器产生光脉冲，定义光子的初始位置(x0，y0，z0)和光子当前的方向余弦(μx，μy，μz)，光子当前的方向余弦定义为单位矢量在传播方向上投影在x，y和z轴上的单位余弦。


4.根据权利要求3所述的水下无线光通信光信道仿真方法，其特征在于，所述步骤S2.1中，确定光子下一步的传输距离l的公式如下：



其中，c为衰减系数，R为在[0，1]之间均匀分布的随机数；
所述步骤S2.2中，选择Fouriner-Forand体积散射函数作为模拟水质的函数，根据散射体积函数计算得到散射角度θ：



其中，R为[0，1]上的随机数，θ′为被选择的散射角，为体积散射函数；
根据传输距离l和光子当前的方向余弦(μx，μy，μz)确定光子步长(xstep，ystep，zstep)，即(lμx，lμy，lμz)。


5.根据权利要求4所述的水下无线光通信光信道仿真方法，其特征在于，所述步骤S2.1中，对光子的方向余弦进行更新的计算公式如下：



其中，θ′表示新的散射角度、φ′表示新的方向角，(μ′x，μ′y，μ′z)表示新的方向余弦，φ′表示新的方向角，方向角为[0，2π]上均匀分布的随机数；
根据传输距离l和新的方向余弦(μ′x，μ′y，μ′z)确定新的...

【专利技术属性】
技术研发人员：许一诺，赵晓燕，李冬冬，王启龙，张睿，
申请(专利权)人：南京先进激光技术研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32