不同水域环境下无线光传输信道模拟仿真及实验验证

作     者：刘欣灵 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：桂良启

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：水下无线光传输 水域环境 吸收 散射 传输信道 

摘      要：水下无线光通信技术因其具有高速率、低时延、抗干扰性强等优势,开始逐步应用于水下高速信息传输。水体作为一种光传输介质,对光波具有衰减作用,其物理性质及内部的物质组成对光传输特性具有不同程度的影响。研究不同水域环境下光的传输信道特性,对水下无线光通信系统的设计具有重要参考价值。本文首先对水下信道的光学特性理论进行介绍,包括吸收系数和散射系数的经验公式、比尔定律、体散射相函数以及布里渊散射理论,同时介绍了蒙特卡洛法的原理。在此基础上,本文结合已有的蒙特卡洛算法,针对不同水域环境的差异性,提出了一种水环境自适应的光传输模拟方法。该方法利用光子更新前后两个信息来判断光子的状态并获得光子的实际权重和位置,很好地解决了信道模型在不同水域中的适用性问题。然后利用上述模型以及布里渊散射理论,仿真分析了不同盐度和不同浮游动物含量的水域环境对接收光强、接收时间和能量空间分布的影响,同时分析了不同浊度下的传输距离和收发错位容差。结果表明,在蓝绿光波段下,盐度对传输信道特性的影响很小;水域浊度越大,接收性能越差;清澈水域的收发错位容差非常小。紧接着对真实水域环境进行光传输信道特性仿真,并给出了各参数下的仿真结果。最后在真实水域环境中开展了水下无线光传输实验,验证了水域环境对光传输信道的影响。