基于藍綠激光的海水信道特性分析

關云靜

（西安交通工程學院 中興通信學院，陜西 西安 710300）

0 引 言

21世紀，水下光學通信技術已經成為一項研究熱點。其干預能力強，不易受外部因素影響，而且可以在大容量數據下進行傳輸，因此掌握水下通信的主要技術在水下戰場上絕對有利[1-3]。海水中的光傳輸比大氣中更復雜，因為海水中不僅存在水分子，而且還包括其他生物體。這些生物的吸收和散射作用導致光在傳輸過程中會發生衰減[4]。本文通過分析海水物質的衰減和由光束擴展引起的損耗，建立了基于生物光學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論，可為水下無線光通信系統的總體設計提供依據。

1 基于光束擴展損耗的仿真分析

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

從圖1可以看出，光束會隨著距離的增加而發散。當傳輸距離恒定時，發散角越大，接收孔徑的半徑越大。當發散角恒定時，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散角的關系曲線

2 海水激光通信信道模型仿真分析

文章討論了深海水域、近海水域以及沿海混濁水域3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到0.011 mg/m3。如果光源的發射功率是140 dB，利用MATLAB仿真計算，可以得到深海水域接收功率與傳輸距離的關系曲線如圖2所示。

從圖2可以看到，在深海區域，通信特性優選為藍色光譜，所以發射光源盡量選擇藍色光譜范圍內。

圖2 深海水域接收功率與傳輸距離的關系曲線

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

從圖3可以看到，藍色光譜在海水中傳輸特性較差，因此不應該選用藍光譜作為發射光源。

圖3 近海水域接收功率與傳輸距離的關系曲線

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

從圖4可以看出，葉綠素逐漸增加到2 mg/m3時，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，傳輸距離特別短，紅光透射特性最佳。

圖4 沿海混濁水域接收功率與傳輸距離的關系曲線

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

3 結 論

本文對光束的幾何損耗進行了MATLAB仿真計算。光束的擴展隨著距離的增加而增加。當發散角一定時，接收半徑也隨著傳輸距離而增加。傳輸距離一定時，發散角越大，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衰減的影響，對海水通信信道模型進行了建模和計算。