試論水下光學(xué)無(wú)線(xiàn)通信的海水信道特征

楊宇

【摘 要】水下光學(xué)無(wú)線(xiàn)通信中的海水信道特征主要體現(xiàn)在：海水信道具有散射以及吸收光數(shù)據(jù)信號(hào)的特征，這些特征導(dǎo)致光在海水中傳輸時(shí)，會(huì)出現(xiàn)衰減現(xiàn)象。基于衰減現(xiàn)象，水下光學(xué)無(wú)線(xiàn)通信中的海水信道特征模型主要包括衰減參數(shù)函數(shù)、光吸收函數(shù)、光散射函數(shù)以及經(jīng)過(guò)衰減后接收光數(shù)據(jù)總能量?；谒鹿鈱W(xué)無(wú)線(xiàn)通信海水信道特征模型仿真分析主要包括：在水下光學(xué)無(wú)線(xiàn)通信中海水信道特征函數(shù)仿真驗(yàn)證以及傳播誤碼率分析。

【關(guān)鍵詞】光學(xué)無(wú)線(xiàn)通信；海水信道；特征

潛艇在海水中運(yùn)行時(shí)，需要與傳感器以及水面艦艇指揮中心等進(jìn)行溝通聯(lián)系，這就需要使用到在海水中通信這一技術(shù)，在海水中進(jìn)行通信與在陸地上有很大區(qū)別。利用海水作為信息傳輸?shù)耐ǖ肋M(jìn)行數(shù)據(jù)傳播的途徑，就是海水信道。近年來(lái)，水下聲學(xué)或光學(xué)數(shù)據(jù)傳感采集探測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速。相比水下聲學(xué)通信來(lái)說(shuō)，水下光學(xué)通信具有受周?chē)h(huán)境影響小、傳輸數(shù)據(jù)量大、傳輸耗時(shí)少以及載波頻率高等優(yōu)點(diǎn)。由于光波的這些優(yōu)點(diǎn)使得光學(xué)無(wú)線(xiàn)通信越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于水下通信中，在光學(xué)無(wú)線(xiàn)通信中，影響通信功效的重要因素就是海水信道的光學(xué)特征。本文首先對(duì)水下光學(xué)無(wú)線(xiàn)通信中的海水信道特征概要進(jìn)行簡(jiǎn)單描述，然后建立水下光學(xué)無(wú)線(xiàn)通信中的海水信道特征模型，最后對(duì)基于水下光學(xué)無(wú)線(xiàn)通信海水信道特征模型進(jìn)行仿真修正分析。

1.水下光學(xué)無(wú)線(xiàn)通信中的海水信道特征概要

水下光學(xué)無(wú)線(xiàn)通信中的海水信道特征主要包括海水信道具有吸收光數(shù)據(jù)信號(hào)的特征以及海水信道具有散射光數(shù)據(jù)信號(hào)的特征。與光數(shù)據(jù)信號(hào)在空氣中傳播相比較，光數(shù)據(jù)信號(hào)在海水中的傳播過(guò)程非常復(fù)雜，這主要是由于海水信道中存在很多影響光傳輸?shù)牟淮_定性因素。這些不確定因素導(dǎo)致海水信道呈現(xiàn)出吸收光以及散射光的特征，海水信道對(duì)光的吸收及散射導(dǎo)致光數(shù)據(jù)信號(hào)在海水中傳播時(shí)出現(xiàn)衰減現(xiàn)象，從而影響光數(shù)據(jù)信號(hào)在海水信道中的傳播。

海水信道具有吸收光的特征：海水信道之所以能夠吸收光，是因?yàn)楹Ｋ兴械奈镔|(zhì)成分能夠吸收光。而海水中所包含的成分是非常復(fù)雜的，概括起來(lái)可以分為水分子、懸浮體、無(wú)機(jī)溶解質(zhì)以及各種有機(jī)物等，但是不同海域其包含的成分各有不同，即使相同海域不同位置包含的物質(zhì)成分也有所不同。海水是一種非常復(fù)雜的生物、物力以及化學(xué)等相結(jié)合的系統(tǒng)，而海水中含有的一些物質(zhì)對(duì)光具有吸收性，例如營(yíng)光合作用的藻類(lèi)生物以及黃色物質(zhì)等。

海水信道具有散射光的特征：由于海水中包含的物質(zhì)成分的復(fù)雜性，也使得海水信道對(duì)光數(shù)據(jù)信號(hào)的散射性非常復(fù)雜。海水中能夠?qū)膺M(jìn)行散射的物質(zhì)主要包括：水分子、懸浮粒子以及透明物質(zhì)等。水分子對(duì)光的散射性符合瑞利散射特征，懸浮粒子對(duì)光的散射性符合米氏散射特征，米氏散射的大小取決于海水中懸浮粒子的濃度以及粒子的大小。而透明物質(zhì)對(duì)光的散射性是由于透明物質(zhì)能夠折射光所引發(fā)的。

2.水下光學(xué)無(wú)線(xiàn)通信中的海水信道特征模型

根據(jù)水下光學(xué)無(wú)線(xiàn)通信中的海水信道特征，可以建立一個(gè)關(guān)于海水信道特征的模型。我們已經(jīng)知道光學(xué)無(wú)線(xiàn)通信的海水信道特征主要包括吸收光以及散射光，從而引發(fā)光在海水中傳播時(shí)出現(xiàn)衰減現(xiàn)象。所以我們假設(shè)光在海水中的衰減參數(shù)為D，被吸收參數(shù)為A，被散射參數(shù)為S，光的波長(zhǎng)為W，那么 。這說(shuō)明，光數(shù)據(jù)信號(hào)在海水中的衰減也受到光波長(zhǎng)的影響，衰減參數(shù)、吸收參數(shù)以及散射參數(shù)都是光波長(zhǎng)的函數(shù)。

下面我們將分別對(duì)光吸收函數(shù)、光散射函數(shù)以及經(jīng)過(guò)衰減后接收光數(shù)據(jù)總能量進(jìn)行分析。

光吸收函數(shù)：在海水中，能夠吸收光數(shù)據(jù)信號(hào)的物質(zhì)分子很多，在此，我們先將主要的吸收光的因素歸結(jié)起來(lái)，然后再進(jìn)行函數(shù)修正分析。

海水中吸收光的物質(zhì)主要包括：營(yíng)光合作用的藻類(lèi)以及CDOM（有色可溶性有機(jī)物）等，而營(yíng)光合作用的藻類(lèi)中，主要是利用葉綠素來(lái)吸收光。此外，還海水中能夠吸收光的因素還包括海水以及有機(jī)碎屑以及礦物顆粒等。所以我們假設(shè)水的吸收參數(shù)為WA，葉綠素的吸收參數(shù)為C，CDOM的吸收參數(shù)為CD，有機(jī)碎屑以及礦物顆粒的吸收參數(shù)為M。其中C（W）等于葉綠素總濃度的修正值除以濃度常數(shù)修正值乘以葉綠素光譜系數(shù)。

光散射函數(shù)：海水中的水分子、懸浮粒子以及透明物質(zhì)等都可以對(duì)光進(jìn)行散射作用。而散射規(guī)律主要包括米氏散射和瑞利散射。瑞利散射發(fā)生的條件是海水粒子的直徑小于光波長(zhǎng)，其特點(diǎn)是波長(zhǎng)的四次方與散射強(qiáng)度成反比。米氏散射較為復(fù)雜，粒子直徑與光波長(zhǎng)的差距越大，散射分布越復(fù)雜。根據(jù)粒子直徑，我們可以認(rèn)為光散射函數(shù)是由水分子參數(shù)、葉綠素參數(shù)、小顆粒參數(shù)以及大顆粒參數(shù)組成。

經(jīng)過(guò)衰減后接收光數(shù)據(jù)總能量：光數(shù)據(jù)信號(hào)從傳輸端發(fā)出后，經(jīng)過(guò)海水信道，受到海水傳播中光衰減的影響，并且也會(huì)受到傳輸端與接收端孔徑引發(fā)的衰減效力，最后才傳輸?shù)浇邮斩?。?jīng)過(guò)衰減后接收光數(shù)據(jù)總能量是發(fā)射功率、幾何衰減、海水總衰減參數(shù)D（W）以及傳輸距離的函數(shù)。

3.基于水下光學(xué)無(wú)線(xiàn)通信海水信道特征模型仿真修正分析

任何一個(gè)模型在建立起來(lái)后，都需要進(jìn)行仿真驗(yàn)證以及對(duì)函數(shù)進(jìn)行修正等?；谒鹿鈱W(xué)無(wú)線(xiàn)通信海水信道特征模型仿真分析主要包括：在水下光學(xué)無(wú)線(xiàn)通信中海水信道特征函數(shù)仿真驗(yàn)證以及傳播誤碼率分析。我們選取一個(gè)海域的相關(guān)數(shù)據(jù)以及光傳播的相關(guān)數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)代入模型函數(shù)中，看最后得出的結(jié)果與實(shí)際接收到的數(shù)據(jù)量的區(qū)別，然后根據(jù)這一區(qū)別進(jìn)行傳播誤碼率分析以及函數(shù)修正，修正后再選取另一個(gè)海域與光傳播的數(shù)據(jù)，進(jìn)行仿真驗(yàn)證，直到仿真實(shí)驗(yàn)后的結(jié)果與實(shí)際量的差距在誤差允許范圍之內(nèi)后為止。

4.結(jié)論

本文首先海水信道特征概要進(jìn)行簡(jiǎn)單描述，水下光學(xué)無(wú)線(xiàn)通信中的海水信道特征主要包括海水信道具有吸收光數(shù)據(jù)信號(hào)的特征以及海水信道具有散射光數(shù)據(jù)信號(hào)的特征，這些特征導(dǎo)致光在海水中傳輸時(shí)，出現(xiàn)衰減現(xiàn)象。然后根據(jù)這些特征建立了水下光學(xué)無(wú)線(xiàn)通信中的海水信道特征模型，包括一個(gè)衰減參數(shù)函數(shù)、光吸收函數(shù)、光散射函數(shù)以及經(jīng)過(guò)衰減后接收光數(shù)據(jù)總能量。影響光吸收函數(shù)的因素主要包括：水的吸收參數(shù)、葉綠素的吸收參數(shù)、CDOM吸收參數(shù)以及有機(jī)碎屑礦物顆粒吸收參數(shù)等。影響光散射函數(shù)的因素主要包括：水分子參數(shù)、葉綠素參數(shù)、小顆粒參數(shù)以及大顆粒參數(shù)等。最后對(duì)基于水下光學(xué)無(wú)線(xiàn)通信海水信道特征模型進(jìn)行仿真修正分析?；谒鹿鈱W(xué)無(wú)線(xiàn)通信海水信道特征模型仿真分析主要包括：在水下光學(xué)無(wú)線(xiàn)通信中海水信道特征函數(shù)仿真驗(yàn)證以及傳播誤碼率分析。

【參考文獻(xiàn)】

[1]魏巍，陳楠楠，張曉暉，饒炯輝，王文博.用于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)光通信研究概況[J].傳感器世界，2011，3：6-10.

[2]隋美紅，于新生，劉西鋒，周章國(guó).水下光學(xué)無(wú)線(xiàn)通信的海水信道特性研究[J].海洋科學(xué)，2009，33（6）.

[3]詹恩奇，王宏遠(yuǎn).光在大氣和海水信道中傳輸?shù)哪芰克p計(jì)算[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2009，42（4）：529-530.

[4]叢艷平，魏志強(qiáng)，楊光，殷波.多模式自適應(yīng)水下無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)框架研究[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，42（5）：115-118.