蒙特卡洛仿真揭秘水下光信號傳輸奧秘

近年來，人類海洋活動日益擴(kuò)大，水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、光/聲學(xué)成像探測技術(shù)和水下航行器等技術(shù)快速發(fā)展，迫切需要高數(shù)據(jù)傳輸速率的水下無線通信技術(shù)的支持，以實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)的傳輸及控制指令的交換。相對于傳統(tǒng)的水聲通信而言，水下光通信的頻帶寬，通信容量大，適于水下大容量數(shù)據(jù)的傳輸，以及不易受海水溫度和鹽度變化的影響；具有良好的抗干擾能力。此外，激光具有較強(qiáng)的方向性，提高了信息傳輸過程中的安全保密性。因此，水下激光通信日益受到人們的重視。其中，采用蒙特卡洛方法仿真分析光信號在水下介質(zhì)中的傳輸特性受到了眾多研究學(xué)者的青睞，其傳輸特性直接關(guān)系到水下無線光通信系統(tǒng)的應(yīng)用。本文章基于水下光波通信仿真系統(tǒng)對水下光信道進(jìn)行蒙特卡洛法仿真，對發(fā)射器和水下光通信的信道特性進(jìn)行分析,仿真比較典型的水質(zhì)類型，發(fā)射器的發(fā)散角，傳輸距離等因素對接收光強(qiáng)的影響。

此次研究采用六博光電自主開發(fā)的可見光/藍(lán)綠光仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用Matlab程序編寫，可以對可見光/藍(lán)綠光在各種介質(zhì)中進(jìn)行信號仿真。包括發(fā)射端、信道、接收端、編碼調(diào)制等端到端進(jìn)行仿真分析?？梢杂脕韺W(xué)術(shù)研究、水下光通信系統(tǒng)設(shè)計仿真，或者有相關(guān)課程的學(xué)生和老師用來進(jìn)行實驗課程。

在該仿真系統(tǒng)中，光線被假設(shè)為是光子的集合。仿真過程中通過跟蹤大量光子的傳播途徑來獲取最終統(tǒng)計的結(jié)果。我們先將仿真軟件光源設(shè)置為激光也就是LD，光源波長設(shè)置為520nm，設(shè)置激光所的生產(chǎn)光子數(shù)量為10000，發(fā)射功率為50mW，光源半徑為25mm以及發(fā)散半角5°后。通過蒙特卡洛法對激光的高斯光斑進(jìn)行采樣?？梢钥匆娷浖抡娉霭l(fā)射端發(fā)出光斑的形狀，光子數(shù)量以及光子輻射圖。

圖1：發(fā)射端仿真圖

然后我們將發(fā)射端發(fā)射半角修改至10°時，可以再觀察光斑形狀以及光子輻射圖。光子輻射圖中，光子輻射的范圍變大。

圖2：發(fā)射端發(fā)射半角設(shè)置為10°時仿真圖

將發(fā)射端設(shè)置完成后再對水下信道進(jìn)行設(shè)置，將設(shè)置水質(zhì)類型設(shè)置為海水，散射相位函數(shù)為HG，傳輸距離10米。通過設(shè)置觀察視窗可以顯示出在不同距離的情況下光功率強(qiáng)度的分布情況。還可以對溫度以及氣泡濃度和鹽度進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置完成后進(jìn)行仿真可以得到在該仿真條件下，1米，3米，5米，10米情況下光斑的情況以及光子數(shù)量?？梢钥吹皆?米處時接收的光子數(shù)量為9846，3米處時接收光子數(shù)為7289，5米處時接收光子數(shù)為6299，10米處時接收光子數(shù)為3697。

圖3：水下光信道仿真圖

然后我們將水質(zhì)類型設(shè)置為港口水再次觀察光斑的情況以及光子數(shù)量，可以看見將水質(zhì)設(shè)置為港口水時1米處接收光子數(shù)下降為了4962，3米處時接收光子數(shù)為863，5米處接收光子數(shù)為262，10米處時接收光子數(shù)僅為24。將界面切換至發(fā)射端，可以看到發(fā)射端的光子輻射圖在港口水質(zhì)時衰減嚴(yán)重。

圖4：港口水質(zhì)時信道仿真

圖5：港口水質(zhì)時發(fā)射端仿真圖

綜合仿真結(jié)果可知，光子中心輻射強(qiáng)度與發(fā)散角呈反比，發(fā)散角越小強(qiáng)度越大；光子數(shù)量隨傳輸距離延長不斷衰減，且水質(zhì)越差衰減越快，光功率衰減先急后緩，與實際測試契合。這一系列發(fā)現(xiàn)為水下光通信系統(tǒng)優(yōu)化指明方向，未來有望在海洋觀測、水下航行器通信等領(lǐng)域大顯身手，助力人類更好地探索神秘海洋，解鎖更多海洋深處的未知信息。