專(zhuān)利名稱(chēng)：一種光子傳輸性能仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光通信領(lǐng)域，特別是一種對(duì)激光對(duì)水下接收平臺(tái)通信過(guò)程中，光子傳輸性能進(jìn)行仿真的方法。
背景技術(shù)：
在激光通信領(lǐng)域中，由于大氣、海水的不穩(wěn)定性，光傳輸過(guò)程中涉及的各種環(huán)境參數(shù)具有很大的隨機(jī)性，而且光在大氣和海水中傳輸由于多次散射的影響，幾乎不可能用解析法描述光信號(hào)的傳輸過(guò)程。此外，星載激光對(duì)水下接收機(jī)通信試驗(yàn)工具和試驗(yàn)費(fèi)用高，并且在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，一些參數(shù)選擇受實(shí)驗(yàn)條件限制(如海水和大氣各層衰減系數(shù)等)，完全通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法獲取所有的數(shù)據(jù)也是不現(xiàn)實(shí)的。因此，目前是利用蒙特卡羅(Monte Carlo) 方法對(duì)激光在大氣和海水中的傳輸情況進(jìn)行仿真。蒙特卡羅方法，又稱(chēng)隨機(jī)抽樣方法，是一種基于“隨機(jī)數(shù)”的計(jì)算方法，它利用隨機(jī)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，以求得的統(tǒng)計(jì)特征值作為待解問(wèn)題的數(shù)值解。具體地，光子在大氣或海水中發(fā)生散射的過(guò)程，可視為光子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，其過(guò)程完全可以利用蒙特卡羅方法正確地模擬。蒙特卡羅方法用于光子運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算機(jī)模擬時(shí)，光子以一個(gè)特定方向進(jìn)入隨機(jī)介質(zhì)，通過(guò)散射或吸收系數(shù)確定光子下一步的運(yùn)動(dòng)距離。如果散射現(xiàn)象發(fā)生，可以由適當(dāng)?shù)纳⑸湎辔缓瘮?shù)選取散射后光子新的運(yùn)動(dòng)方向。重復(fù)進(jìn)行以上過(guò)程，直到光子被完全吸收或從邊界逃逸為止。目前，國(guó)內(nèi)的許多高校如華中科技大學(xué)、電子科技大學(xué)、長(zhǎng)春理工大學(xué)、桂林電子科技大學(xué)等開(kāi)展了藍(lán)綠激光的應(yīng)用研究。但是，現(xiàn)有研究資料采用蒙特卡羅方法對(duì)星載或者機(jī)載激光對(duì)水下接收平臺(tái)的通信仿真中，均無(wú)提到遇到邊界條件時(shí)所產(chǎn)生的誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種光子傳輸性能仿真方法。本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下—種光子傳輸性能仿真方法,其特征在于包括步驟I :設(shè)定待仿真光子數(shù)目、各光子的初始狀態(tài)和介質(zhì)光學(xué)特性參數(shù)。初始狀態(tài)包括光子的坐標(biāo)r(X，Y，Z)，光子的運(yùn)動(dòng)方向V，光子運(yùn)動(dòng)路徑長(zhǎng)度I，光子能量權(quán)值W ;介質(zhì)光學(xué)特性參數(shù)包括介質(zhì)吸收系數(shù)U a、介質(zhì)散射系數(shù)U s ;步驟2 :根據(jù)初始狀態(tài)發(fā)射光子，對(duì)每一光子傳輸路徑進(jìn)行追蹤，追蹤過(guò)程中，對(duì)經(jīng)過(guò)介質(zhì)界面或接收平面的光子采用修正的蒙特卡羅方法實(shí)現(xiàn)追蹤步驟3 :基于追蹤結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，生成光斑分布圖、多徑時(shí)延概率圖、最大多徑時(shí)延、63%光子平均多徑時(shí)延和最大時(shí)延、光子所剩數(shù)目并顯示。本發(fā)明通過(guò)建立激光對(duì)水下接收平臺(tái)通信傳輸?shù)拿商乜_模型，統(tǒng)計(jì)接收面的光子信息，輸出光子到達(dá)接收平面的多徑時(shí)間延遲和光斑分布信息，模擬接收面光斑接收?qǐng)D以及多徑時(shí)延圖，其優(yōu)點(diǎn)是針對(duì)光子運(yùn)動(dòng)路徑上的介質(zhì)界面及接收平面，提出了修正的蒙特卡羅方法，使得仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)激光對(duì)水下接收平臺(tái)通信系統(tǒng)提供了更精確的仿真數(shù)據(jù)。


圖I為光子傳輸性能仿真方法流程圖。圖2為532nm綠光水下30米采用修正方法時(shí)接收面光斑分布情況。圖3為532nm綠光水下30米不采用修正方法時(shí)接收面光斑分布情況。圖4為532nm綠光水下30米采用修正方法時(shí)多徑時(shí)延概率分布。圖5為532nm綠光水下30米不采用修正方法時(shí)多徑時(shí)延概率分布。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖I所示，本發(fā)明方法包括步驟I :設(shè)定待仿真光子數(shù)目、各光子的初始狀態(tài)和介質(zhì)光學(xué)特性參數(shù)。初始狀態(tài)包括光子的坐標(biāo)r(X，Y，Z)，光子的運(yùn)動(dòng)方向V，光子運(yùn)動(dòng)路徑長(zhǎng)度I，光子能量權(quán)值W ;介質(zhì)光學(xué)特性參數(shù)包括介質(zhì)吸收系數(shù)Ua、介質(zhì)散射系數(shù)Us。步驟2 :根據(jù)初始狀態(tài)發(fā)射光子，對(duì)每一光子傳輸路徑進(jìn)行追蹤，追蹤過(guò)程中，對(duì)經(jīng)過(guò)介質(zhì)界面或接收平面的光子采用修正的蒙特卡羅方法實(shí)現(xiàn)追蹤。由于光子運(yùn)動(dòng)的步長(zhǎng)很有可能使光子逃逸大氣-海水界面或者接收平面，即遇到邊界的情況下，會(huì)對(duì)仿真結(jié)果造成巨大的誤差，因此采用修正的蒙特卡羅方法對(duì)經(jīng)過(guò)介質(zhì)界面或接收平面的光子進(jìn)行追蹤。修正的蒙特卡羅方法包括修正的光子步長(zhǎng)公式
權(quán)利要求
1.一種光子傳輸性能仿真方法，其特征在于包括步驟I:設(shè)定待仿真光子數(shù)目、各光子的初始狀態(tài)和介質(zhì)光學(xué)特性參數(shù)，初始狀態(tài)包括光子的坐標(biāo)r (X，Y，Z)，光子的運(yùn)動(dòng)方向Ψ，光子運(yùn)動(dòng)路徑長(zhǎng)度I，光子能量權(quán)值W，介質(zhì)光學(xué)特性參數(shù)包括介質(zhì)吸收系數(shù)μ a、介質(zhì)散射系數(shù)μ s ；步驟2 :根據(jù)初始狀態(tài)發(fā)射光子，對(duì)每一光子傳輸路徑進(jìn)行追蹤，追蹤過(guò)程中，對(duì)經(jīng)過(guò)介質(zhì)界面或接收平面的光子采用修正的蒙特卡羅方法實(shí)現(xiàn)追蹤步驟3 :基于追蹤結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，生成光斑分布圖、多徑時(shí)延概率圖、最大多徑時(shí)延、63%光子平均多徑時(shí)延和最大時(shí)延、光子所剩數(shù)目并顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟2又包括步驟21 :發(fā)射光子,計(jì)算光子在大氣運(yùn)動(dòng)中每一步移動(dòng)的步長(zhǎng)，并計(jì)算光子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多徑時(shí)延和能量損失；步驟22 :在光子到達(dá)大氣-水界面時(shí)，采用修正的蒙特卡羅方法計(jì)算光子步長(zhǎng)、多徑時(shí)延和光子行走被吸收的概率，并由光子行走被吸收的概率得到光子的能量損失；步驟23 :計(jì)算光子在大氣-水界面發(fā)生折射后的傳輸方向；步驟24 :計(jì)算光子在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)的衰減系數(shù)；步驟25 :在光子到達(dá)接收平面時(shí)，采用修正的蒙特卡羅方法計(jì)算光子步長(zhǎng)、多徑時(shí)延和光子行走被吸收的概率，重復(fù)上述步驟，直到追蹤完全部光子。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于修正的蒙特卡羅方法包括修正的光子步長(zhǎng)公式(T = dv/cos θ ,修正的多徑時(shí)延公式At' = Atx dy ，修正的光子行走被吸收的a cos Θ概率p' = p^,dv n ； a cosfc/<是光子前坐標(biāo)為與大氣-水界面的垂直距離，d'是修正后的光子步長(zhǎng)，Θ是光子當(dāng)前坐標(biāo)方向與接收平面法向方向的夾角，At'是修正后的多徑時(shí)延，At是遇到邊界條件時(shí)的多徑時(shí)延，d是遇到邊界條件時(shí)的光子步長(zhǎng)，p'是修正后的光子行走被吸收的概率，P 是遇到邊界條件時(shí)光子行走被吸收的概率。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于步驟3又包括步驟31 :將到達(dá)接收面的光子數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出接收面光子數(shù)；步驟32 :將到達(dá)接收面的光子的光斑分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到光斑分布圖；步驟33 :將所有光子多徑時(shí)延進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到最大平均時(shí)延；步驟34 :將所有光子多徑時(shí)延的總和除以所有光子數(shù)，得到平均多徑時(shí)延；步驟35 :統(tǒng)計(jì)大約63%的光子落在的區(qū)域定義為63%半徑，得到63%光子最大多徑時(shí)延以及63%光子平均時(shí)延；步驟36 :將到達(dá)接收面的光子的能量權(quán)值進(jìn)行相加，得到接收面光子權(quán)值總和；步驟37 :將63%光子的多徑時(shí)延進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并按概率排列，得到多徑時(shí)延概率分布圖。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種光子傳輸性能仿真方法，包括步驟1設(shè)定待仿真光子數(shù)目、各光子的初始狀態(tài)和介質(zhì)光學(xué)特性參數(shù)；步驟2根據(jù)初始狀態(tài)發(fā)射光子，對(duì)每一光子傳輸路徑進(jìn)行追蹤，追蹤過(guò)程中，對(duì)經(jīng)過(guò)介質(zhì)界面或接收平面的光子采用修正的蒙特卡羅方法實(shí)現(xiàn)追蹤；步驟3基于追蹤結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，生成光斑分布圖、多徑時(shí)延概率圖、最大多徑時(shí)延、63％光子平均多徑時(shí)延和最大時(shí)延、光子所剩數(shù)目并顯示。本發(fā)明是針對(duì)光子運(yùn)動(dòng)路徑上的介質(zhì)界面及接收平面，提出了修正的蒙特卡羅方法，使得仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)激光對(duì)水下接收平臺(tái)通信系統(tǒng)提供了更精確的仿真數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)H04B10/00GK102594440SQ20121004153
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月22日
發(fā)明者丁元明, 劉治國(guó), 原程, 宋琳, 蔡睿妍 申請(qǐng)人:大連大學(xué)