本發(fā)明屬于水下無線光通信，涉及基于水下相干探測(cè)技術(shù)的探測(cè)器接收孔徑仿真方法。

背景技術(shù)：

1、地球約百分之七十的面積被海洋所覆蓋，近些年來海洋在環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、政治、軍事等領(lǐng)域的戰(zhàn)略地位倍受各國(guó)關(guān)注。水下無線光通信技術(shù)主要包括水聲通信、水下射頻通信和水下無線光通信。相比于聲波通信和射頻通信，水下無線光通信具有通信帶寬大、傳輸速率高、延時(shí)小、保密性強(qiáng)等多個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)，在海洋環(huán)境中已成為極具潛力的一種通信方式。復(fù)雜的水下信道給水下無線光通信帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。海洋湍流中顆粒物、微生物及水自身對(duì)光的吸收和散射，大大降低了激光測(cè)程和成像對(duì)比度。假設(shè)在海洋環(huán)境中僅考慮海洋湍流效應(yīng)對(duì)光束傳輸特性的影響，光波到達(dá)接收端后會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)漂移、光束擴(kuò)展和光強(qiáng)閃爍等現(xiàn)象，海洋湍流效應(yīng)大大降低了激光的相干性，致使在接收端使用常規(guī)探測(cè)手段無法捕捉有用信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)光的探測(cè)，在接收端可采用相干探測(cè)的方式延長(zhǎng)通信距離，最大程度提高探測(cè)器的靈敏度和信噪比。然而，在采用相干探測(cè)的方式延長(zhǎng)通信距離的過程中發(fā)現(xiàn)，在一定的強(qiáng)度海洋湍流環(huán)境中，接收端探測(cè)器孔徑尺寸對(duì)提高接收端探測(cè)器的靈敏度和信噪比有著至關(guān)重要的影響，會(huì)直接影響最終對(duì)水下信號(hào)的探測(cè)性能。

2、基于此，本技術(shù)提出基于水下相干探測(cè)技術(shù)的探測(cè)器接收孔徑仿真方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供基于水下相干探測(cè)技術(shù)的探測(cè)器接收孔徑仿真方法，通過仿真獲取接收端的探測(cè)器孔徑范圍，通過設(shè)置探測(cè)器孔徑能夠最大程度提高接收機(jī)靈敏度和信噪比，實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)光的探測(cè)。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，基于水下相干探測(cè)技術(shù)的探測(cè)器接收孔徑仿真方法，具體步驟如下：

3、步驟1、計(jì)算信號(hào)光經(jīng)海洋湍流傳輸距離z后到達(dá)接收端的交叉譜密度；

4、步驟2、利用步驟1得到的接收端信號(hào)光的交叉譜密度，計(jì)算接收端信號(hào)光的中頻信號(hào)功率；

5、步驟3、計(jì)算源場(chǎng)處信號(hào)光的光功率與本振光的光功率；

6、步驟4、結(jié)合步驟2得到的接收端信號(hào)光的交叉譜密度及步驟3中計(jì)算的源場(chǎng)處信號(hào)光與本振光的光功率，計(jì)算海洋湍流環(huán)境中的外差效率；

7、步驟5、通過matlab軟件對(duì)得到的外差效率閉合解進(jìn)行數(shù)值仿真，得到能夠抑制海洋湍流的接收端探測(cè)器孔徑尺寸。

8、本發(fā)明的特點(diǎn)還在于：

9、接收端信號(hào)光的交叉譜密度計(jì)算公式如下：

10、

11、其中，γα(ρ1,ρ2,z)為接收端信號(hào)光的交叉譜密度，r1和r2表示高斯謝爾光束在源平面處的一對(duì)位置矢量，ρ1和ρ2表示高斯謝爾光束經(jīng)過海洋湍流傳輸后到達(dá)接收平面的位置坐標(biāo)，λ表示信號(hào)光波長(zhǎng)，z表示信號(hào)光傳輸距離，k表示波數(shù)，k＝2π/λ，i表示虛數(shù)，表示海洋湍流對(duì)球面波影響的隨機(jī)相位因子的共軛復(fù)數(shù)，表示海洋湍流對(duì)球面波影響的隨機(jī)相位因子，洋湍流引起的擾動(dòng)<exp[ψ*(ρ1，r1，z)+ψ(ρ2，r2，z)]>≈exp[-dψ(ρ1-ρ2，r1-r2)/2]，其中，dψ(ρ1-ρ2，r1-r2)是波結(jié)構(gòu)函數(shù)，且：

12、dψ(ρ1-ρ2,r1-r2)＝m[(ρ1-ρ2)2+(ρ1-ρ2)(r1-r2)+(r1-r2)2]????(2)

13、其中，m表示海洋湍流參數(shù)，計(jì)算公式如下：

14、

15、其中，φn(κ)采用nikishov海洋湍流折射率功率譜，z表示信號(hào)光傳輸距離，k表示波數(shù)，k＝2π/λ，κ表示空間波數(shù)；

16、海洋湍流折射率譜模型φn(κ)采用nikishov海洋湍流折射率功率譜，表示為：

17、

18、其中，ε是湍流動(dòng)能耗散率，l0是海洋湍流的內(nèi)尺度，χt是均方溫度耗散率，e表示指數(shù)，at＝1.863×10-2，as＝1.9×10-4，ats＝9.41×10-3，ω表征溫度和鹽度變化的相對(duì)強(qiáng)度，取值為-5～0，δ可表示為：

19、

20、其中，l0是海洋湍流的內(nèi)尺度，m是空間波數(shù)；

21、將式(2)、(3)、(4)代入式(1)中，可以化簡(jiǎn)為：

22、

23、其中，下標(biāo)α＝l表示本振光或s表示信號(hào)光；σα是信號(hào)光或本振光的束腰半徑；δα是信號(hào)光或本振光在源場(chǎng)處z＝0的橫向相干長(zhǎng)度；

24、令p＝ρ1-ρ2，q＝ρ1+ρ2，對(duì)公式(6)進(jìn)行如下的簡(jiǎn)化，具體如下：

25、

26、其中，rc為r1和r2的平均值，rd為r1和r2之差，p為ρ1和ρ2之差，q為ρ1和ρ2之和，下標(biāo)α＝l表示本振光或s表示信號(hào)光；σα是信號(hào)光或本振光的束腰半徑；δα是信號(hào)光或本振光在源場(chǎng)處z＝0的橫向相干長(zhǎng)度；

27、利用如下的式(8)對(duì)rc和rd積分，得到公式(9)和(10)：

28、

29、其中，a、b、c、e、h、r代表6個(gè)任意的數(shù)值；

30、

31、其中，aα、bα可以表示為：

32、

33、將式(9)和(10)代入式(7)中對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化得到如下公式(12)：

34、

35、其中，cα、dα、eα可以表示為：

36、

37、上述式(9)-(13)中，σα是信號(hào)光或本振光的束腰半徑；δα是信號(hào)光或本振光在源場(chǎng)處z＝0的橫向相干長(zhǎng)度，rc為r1和r2的平均值，rd為r1和r2之差，p為ρ1和ρ2之差，q為ρ1和ρ2之和，z表示信號(hào)光傳輸距離，k表示波數(shù)，k＝2π/λ，i表示虛數(shù)，m表示海洋湍流參數(shù)。

38、步驟2中中頻信號(hào)功率的計(jì)算過程如下：

39、

40、其中，pif表示中頻信號(hào)功率，根據(jù)公式(12)看出wl表示為：當(dāng)α＝l時(shí)，將公式(12)計(jì)算的結(jié)果賦值給wl；當(dāng)α＝s時(shí)，將公式(12)計(jì)算的結(jié)果取共軛復(fù)數(shù)后并賦值給d是探測(cè)器的有效孔徑，使用軟邊孔徑替換硬邊孔徑，軟邊孔徑w與探測(cè)器孔徑d的關(guān)系為d2＝8w2；通過公式(11)、(13)可以看出al、cl、dl、el、as、cs、ds、es可以表示為：

41、

42、根據(jù)上式(14)可以化簡(jiǎn)為：

43、

44、其中，σl是本振光的束腰半徑，σs是信號(hào)光的束腰半徑；z表示信號(hào)光傳輸距離，k表示波數(shù)，k＝2π/λ，為矢量ρ1、ρ2的夾角，g、t、s可以表示為：

45、

46、依據(jù)：

47、

48、其中：a、p、q、x為任意數(shù)值，i0為貝塞爾函數(shù)，并且c、d可以用公式(19)表示出來；

49、c＝p2+q2-a2,???d＝2ap?(19)

50、依次對(duì)式(16)式中的ρ2積分，最終可化簡(jiǎn)得：

51、

52、其中，q為ρ1和ρ2之和，i0表示為貝塞爾函數(shù)；

53、依據(jù):

54、

55、其中，α、β、γ、x表示為任意數(shù)值，jv、iv表示為任意函數(shù)，同時(shí)iv滿足公式(22)的要求；

56、i0(0)＝1,ip(0)＝0,p>0?(22)

57、先對(duì)式(16)中的ρ2進(jìn)行積分，可得：

58、

59、將式(23)代入式(20)中對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到如下公式(24)：

60、

61、式(24)可以化簡(jiǎn)為：

62、

63、其中，pif表示中頻信號(hào)功率。

64、步驟3中源場(chǎng)處信號(hào)光的光功率可以表示為：

65、

66、其中，pl表示源場(chǎng)處信號(hào)光的光功率，ρ＝(ρ1，ρ2)表示高斯謝爾光束經(jīng)過海洋湍流傳輸后到達(dá)接收平面的位置坐標(biāo)，w表示軟邊孔徑，d表示探測(cè)器孔徑，

67、根據(jù)公式(12)可以看出wl表示為：當(dāng)α＝l時(shí)，將公式(12)計(jì)算的結(jié)果賦值給wl，al表示為公式(16)：

68、源場(chǎng)處本振光的光功率的計(jì)算過程如下：

69、

70、其中，ps表示源場(chǎng)處本振光的光功率，ρ＝(ρ1，ρ2)表示高斯謝爾光束經(jīng)過海洋湍流傳輸后到達(dá)接收平面的位置坐標(biāo)，w表示軟邊孔徑。

71、步驟4中外差效率的計(jì)算過程如下：

72、海洋湍流環(huán)境中的外差效率可以表示為：

73、

74、其中，ηhet為海洋湍流環(huán)境中的外差效率；

75、將(25)式、(26)式和(27)式帶入式(28)式中，通過化簡(jiǎn)可以計(jì)算海洋湍流環(huán)境中的外差效率，即：

76、

77、其中，ρ＝(ρ1，ρ2)表示高斯謝爾光束經(jīng)過海洋湍流傳輸后到達(dá)接收平面的位置坐標(biāo)，k表示波數(shù)，k＝2π/λ，s、g、t可以用公式(17)表示。

78、本發(fā)明基于水下相干探測(cè)技術(shù)的探測(cè)器接收孔徑仿真方法，通過建立海洋湍流中部分相干高斯-謝爾光束的探測(cè)數(shù)學(xué)模型得到外差效率，如步驟1-步驟4的過程，通過matlab軟件對(duì)得到的外差效率閉合解進(jìn)行數(shù)值仿真，得到能夠抑制海洋湍流的接收端探測(cè)器孔徑尺寸。

79、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明基于水下相干探測(cè)技術(shù)的探測(cè)器接收孔徑仿真方法，利用廣義huygens-fresnel衍射原理和部分相干光束的外差探測(cè)數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算海洋湍流中部分高斯-謝爾光束傳輸距離z后的交叉譜密度，進(jìn)一步得到了海洋湍流下部分相干高斯-謝爾光束的外差效率，對(duì)得到的外差效率閉合解進(jìn)行數(shù)值仿真，獲取合適的可以有效抑制海洋湍流效應(yīng)的探測(cè)器孔徑，從而最大程度提高探測(cè)器的靈敏度和信噪比。