【摘 要】
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为了保证海水中数据、图像、视频等信息传输的正确性和及时性,水下激光束的传输和信道特性成为研究的重点。当激光束在水下传输时,海洋湍流效应和水下悬浮粒子的衰减特性导致激光束能量发生极大衰减,引起光束扩展、光束漂移和强度起伏等一系列湍流效应,进而影响激光水下传输的信道特性和通信性能,严重情况下可能导致通信中断。本文主要所做的工作如下:1.理论分析各向同性海洋湍流中光波传输特性,包括激光束的光强分布、光束
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为了保证海水中数据、图像、视频等信息传输的正确性和及时性,水下激光束的传输和信道特性成为研究的重点。当激光束在水下传输时,海洋湍流效应和水下悬浮粒子的衰减特性导致激光束能量发生极大衰减,引起光束扩展、光束漂移和强度起伏等一系列湍流效应,进而影响激光水下传输的信道特性和通信性能,严重情况下可能导致通信中断。本文主要所做的工作如下:1.理论分析各向同性海洋湍流中光波传输特性,包括激光束的光强分布、光束漂移、长期波束扩展和闪烁指数,并基于模拟随机相位屏的谱反演法,给出了海洋湍流中随机相位屏模型,通过四次谐波补偿改善相位屏的统计特性,仿真分析高斯光束通过海洋湍流后光强分布、光束漂移、闪烁指数等变化情况,并与理论值进行对比。结果表明:?越大,?_T越大,?越小,使得海洋湍流强度增大,导致光束强度变弱,光束漂移、长期波束扩展以及闪烁指数都增大。模拟值与理论结果有较好的一致性,数值上略大于理论值。2.基于OOK调制方式,以Gamma-Gamma分布和指数Weibull分布为湍流信道模型,分别给出了考虑衰减效应、瞄准误差和湍流三种因素的联合信道概率密度函数,并计算了平均信道容量和中断概率闭合表达式。通过研究发现湍流信道中,?和各向异性因子越大,?和?_T越小,海洋湍流越弱,导致平均信道容量的增大和中断概率的减小,而光束光源尺寸和量子效率的增加会导致平均信道容量的增加。水下联合信道中,海水水质越浑浊,粒子的衰减系数增大,平均信道容量减小,中断概率增大。EW分布的平均信道容量略高于GG分布,EW分布的中断概率在归一化SNR较大时高于GG分布结果。发射功率的增加使得系统性能提高,且归一化抖动标准差越大,系统可靠性越低,平均信道容量越小,而归一化束宽与平均信道容量和中断概率为非线性关系,发射功率的不同会影响归一化束宽的取值。_LW/R值约为3时,平均信道容量达到最大;值约为7时,中断概率最优。在实际使用过程中,较大的发射功率,合适的归一化束宽和较小的抖动标准差可以提高系统可靠性。3.为了改善激光水下传输性能,提出了几种方法。首先,基于开关键控调制方式,分析了Gamma-Gamma分布湍流、衰减以及瞄准误差的联合效应信道中采用直接探测和相干探测系统时平均误码率的表达式,进行对比分析。其后,介绍了OOK、PPM、PSK以及DPSK调制等常用调制方式,并推导了相干探测中OOK和DPSK调制的平均误码率表达式。其后,研究了SISO、SIMO以及MIMO系统平均误码率的变化情况。最后介绍了大孔径接收技术。研究结果表明:发射系统采用空间分集技术,并将信号进行合适的调制,接收端采用相干探测和大孔径进行接收,可以有效改善系统通信性能。
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