一种湍流情况下水下无线通信信道脉冲时延计算仿真方法

本发明涉及水下激光授时领域，尤其涉及一种湍流情况下水下无线通信信道脉冲时延计算仿真方法。

背景技术：

1、在海洋环境中，水下无线通信技术是研究与开发的重点之一，特别是水下无线光通信技术，它利用光的波动性来传输信息。然而，光信号在水下传播会受到吸收和散射以及湍流等多种因素的影响，导致信号衰减和传播距离限制。其中湍流效应是影响水下无线光通信性能的关键因素之一。湍流由于其不规则的水流动态特性，会在水中造成光信号的随机涨落和强烈散射，从而影响光信号的稳定性和可靠性。

2、激光在水下信道中传播时，由于光束在水下链路中传输受海水环境影响较大，导致光脉冲接收端时刻的伪距与理论距离存在偏差，导致脉冲实际到达时刻和理论到达时刻之间存在误差，授时系统用于同步发送端和接收端的时钟，以确保数据的准确接收和解码。在水下激光通信中，授时系统的精确性对系统的性能至关重要。授时系统需要考虑到脉冲时延的影响，以精确同步信号的发送和接收。如果授时系统不够精确，可能会导致信号解码错误，进而影响通信的稳定性和数据传输的效率，因此建立一种湍流情况下水下无线通信信道并计算其脉冲时延具有一定的应用价值。

技术实现思路

1、本发明主要考虑到水下光通信脉冲时延对水下激光授时技术的影响，结合湍流影响通过蒙特-卡洛方构建更加逼近真实条件下海水的信道模型，并根据光子在模拟信道中的传输情况提出一种方法计算出激光脉冲在水下信道中传播时的时延。

2、一种基于湍流的水下无线通信信道脉冲时延计算方法其特征在于，包括以下步骤：

3、(1)给定高斯光源光子数量，束腰半径，发射角等参数生成高斯光束。

4、(2)对步骤(1)产生的高斯光源进行采样，确定光子的初始位置和方位角，生成散射角。

5、(3)根据海水的衰减系数其中包括吸收系数和散射系数来生成随机步长。

6、(4)生成相位屏。

7、(5)根据光子的坐标、光子方向与随机步长等判断光子是否到达相位屏，若是到达相位屏则进行步骤(6)，未到达相位屏则进行步骤(7)。

8、(6)光子经过相位屏后更新光子坐标方向以及步长，将光子移动步长累加计入光子运动距离。

9、(7)判断光子是否到达接收面，若到达接收面则进行步骤(8)，若没到达接收面进行步骤(9)。

10、(8)记录到达接收面的光子坐标信息、光子的总运动距离、光子的权重值，标记光子被接收。

11、(9)光子进行下一次散射，选择新的方位角和散射角，更新光子的坐标、权重信息，将光子移动步长累加计入光子运动距离。

12、(10)对重新散射后的光子的权重值与设定的生存阈值进行比较，如果小于该阈值则判定光子消亡，停止追踪，大于该阈值则返回步骤(2)，循环执行步骤(3)～(10)直至所有光子被接收。

13、(11)进行n次后停止仿真，记录光子到达接收端的坐标信息(x，y，z)、光子的总运动距离s以及权重值w。

14、(12)根据接收端光子的坐标、总运动距离、权重等信息，计算光子在水下信道中的传输时延。

15、进一步地，步骤(1)中的光束形状为基于ld光源的高斯光束。

16、进一步地，步骤(4)中的相位屏是通过功率谱反演法产生的。

17、进一步地，步骤(3)和步骤(6)中的光子随机步长，散射角和方位角都是用蒙特-卡罗法得出来的随机数。

18、本发明相比现有的技术具有如下特点：

19、本发明提出的一种湍流情况下水下无线通信信道脉冲时延计算仿真方法。考虑了海水的吸收和散射情况，再结合相位屏模拟出水下湍流，更加准确的模拟了海域的复杂水体情况。在接收端得到光子的运动轨迹和坐标信息以及权重信息等，提出了一种方法求得不同水质条件和海水湍流情况下的激光光源从发送端到接收端的脉冲时延，为水下无线激光授时计算提供依据。

技术特征：

1.一种湍流情况下水下无线通信信道脉冲时延计算仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.权利1要求所述的一种湍流情况下水下无线通信信道脉冲时延计算仿真方法，其特征在于步骤(4)中的相位屏是通过功率谱反演法产生的。

3.权利1要求所述的一种湍流情况下水下无线通信信道脉冲时延计算仿真方法，其特征在于步骤(5)中将相位屏判断加入蒙特卡洛仿真流程中，建立一种考虑更多海水环境影响的水下激光信道模型，使得计算出的脉冲时延更加符合实际。

4.权利1要求所述的一种湍流情况下水下无线通信信道脉冲时延计算仿真方法，其特征在于步骤(3)和步骤(6)中的光子随机步长，散射角和方位角都是用蒙特-卡罗法得出来的随机数。

技术总结本发明公开了一种湍流情况下水下无线通信信道脉冲时延计算仿真方法，通过蒙特卡洛方法模拟出光子在海水信道中的运动情况，得到接收端光子的坐标、总运动距离、权重等信息，进而获得不同水质条件和海水湍流情况下的激光光源从发送端到接收端的脉冲信号，并根据接收端的存储信息计算出光脉冲信号在水下信道中的脉冲到达时延。在本发明提供的水下信道模拟方法中，添加了相位屏模型，较为准确地模拟海洋水体中湍流情况，并根据接收端的光子信息提出一种脉冲时延计算方法，使得计算出的时延更加符合海水中激光传输的真实情况，为水下无线光通信信道建模和水下激光授时技术提供一定的参考。技术研发人员：李天松,邬佳玲,陆俐灵,陈思任,曾膺同,陆奕森受保护的技术使用者：桂林电子科技大学技术研发日：技术公布日：2025/1/6