蒙特卡洛仿真揭秘水下光信号传输奥秘

近年来，人类海洋活动日益扩大，水下无线传感器网络、光/声学成像探测技术和水下航行器等技术快速发展，迫切需要高数据传输速率的水下无线通信技术的支持，以实现观测数据的传输及控制指令的交换。相对于传统的水声通信而言，水下光通信的频带宽，通信容量大，适于水下大容量数据的传输，以及不易受海水温度和盐度变化的影响；具有良好的抗干扰能力。此外，激光具有较强的方向性，提高了信息传输过程中的安全保密性。因此，水下激光通信日益受到人们的重视。其中，采用蒙特卡洛方法仿真分析光信号在水下介质中的传输特性受到了众多研究学者的青睐，其传输特性直接关系到水下无线光通信系统的应用。本文章基于水下光波通信仿真系统对水下光信道进行蒙特卡洛法仿真，对发射器和水下光通信的信道特性进行分析, 仿真比较典型的水质类型，发射器的发散角，传输距离等因素对接收光强的影响。

此次研究采用六博光电自主开发的可见光/蓝绿光仿真系统，该系统使用Matlab程序编写，可以对可见光/蓝绿光在各种介质中进行信号仿真。包括发射端、信道、接收端、编码调制等端到端进行仿真分析。可以用来学术研究、水下光通信系统设计仿真，或者有相关课程的学生和老师用来进行实验课程。

在该仿真系统中，光线被假设为是光子的集合。仿真过程中通过跟踪大量光子的传播途径来获取最终统计的结果。我们先将仿真软件光源设置为激光也就是LD，光源波长设置为520nm，设置激光所的生产光子数量为10000，发射功率为50mW，光源半径为25mm以及发散半角5°后。通过蒙特卡洛法对激光的高斯光斑进行采样。可以看见软件仿真出发射端发出光斑的形状，光子数量以及光子辐射图。

图1：发射端仿真图

然后我们将发射端发射半角修改至10°时，可以再观察光斑形状以及光子辐射图。光子辐射图中，光子辐射的范围变大。

图2：发射端发射半角设置为10°时仿真图

将发射端设置完成后再对水下信道进行设置，将设置水质类型设置为海水，散射相位函数为HG，传输距离10米。通过设置观察视窗可以显示出在不同距离的情况下光功率强度的分布情况。还可以对温度以及气泡浓度和盐度进行设置。设置完成后进行仿真可以得到在该仿真条件下，1米，3米，5米，10米情况下光斑的情况以及光子数量。可以看到在1米处时接收的光子数量为9846，3米处时接收光子数为7289，5米处时接收光子数为6299，10米处时接收光子数为3697。

图3：水下光信道仿真图

然后我们将水质类型设置为港口水再次观察光斑的情况以及光子数量，可以看见将水质设置为港口水时1米处接收光子数下降为了4962，3米处时接收光子数为863，5米处接收光子数为262，10米处时接收光子数仅为24。将界面切换至发射端，可以看到发射端的光子辐射图在港口水质时衰减严重。

图4：港口水质时信道仿真

图5：港口水质时发射端仿真图

综合仿真结果可知，光子中心辐射强度与发散角呈反比，发散角越小强度越大；光子数量随传输距离延长不断衰减，且水质越差衰减越快，光功率衰减先急后缓，与实际测试契合。这一系列发现为水下光通信系统优化指明方向，未来有望在海洋观测、水下航行器通信等领域大显身手，助力人类更好地探索神秘海洋，解锁更多海洋深处的未知信息。