水下无线激光传输脉冲响应建模

李天松; 阳荣凯; 高翔; 黄艳虎

doi:doi:10.3788/AOS201939.1101001

光学学报, 2019, 39 (11): 1101001, 网络出版: 2019-11-06

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Impulse Response Modeling for Underwater Wireless Laser Transmission

李天松 ^1,2,**阳荣凯 ^1,2,*高翔 ¹黄艳虎 ²

作者单位

¹ 桂林电子科技大学信息与通信学院, 广西桂林 541004

² 广西精密导航技术与应用重点实验室, 广西桂林 541004

图 & 表

图 1. 不同散射相位函数与Petzold平均粒子相位函数对比。(a) 半对数坐标;(b) 双对数坐标

Fig. 1. Comparison of different scattering phase functions with Petzold average particle phase function. (a) Semi-logarithmic coordinates; (b) double logarithmic coordinates

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图 2. 蒙特卡罗模拟仿真流程图

Fig. 2. Flow chart of Monte Carlo simulation

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图 3. 不同海域中的信道脉冲响应建模。(a) 海港中不同链路距离;(b) 沿海中不同接收孔径;(c) 沿海中不同链路距离;(d) 海港中不同AFOV

Fig. 3. Modeling of channel impulse response in different sea areas. (a) Different link distances in harbor; (b) different receiving apertures in coast; (c) different link distances in coast; (d) different AFOVs in harbor

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图 4. 不同海域中不同初始脉宽下的信道脉冲响应建模。(a) 沿海海域;(b) 海港海域

Fig. 4. Modeling of channel impulse response at different initial pulse widths in different sea areas. (a) Coastal water; (b) harbor water

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表 1各散射函数和Petzold粒子相位函数之间的Δβ值对比

Table1. Comparison of Δβ between each scattering function and Petzold particle phase function

Phase function	Δβ
Phase function	(0.1000°,5.000°)	(0.1000°,90.00°)	(90.00°,180.0°)	(0.1000°,180.0°)
HG	18.55	26.62	39.88	36.16
FFT	0.56	10.36	17.82	29.22

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表 2不同水域类型中的衰减参数、散射反照率和不对称因子

Table2. Attenuation parameters, scattering albedo, and asymmetry factor in different water types

Water type	${μ_{a}}_{}$ /m^-1	${μ_{b}}_{}$ /m^-1	${μ_{c}}_{}$ /m^-1	ω₀	g
Ⅱ Coastal	0.179	0.219	0.40	0.55	0.94
Ⅲ Turbid Harbor	0.366	1.824	2.19	0.83	0.92

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表 3不同UWOC信道中WDGF的参数

Table3. Parameters of WDGF in different UWOC channels

Water type	AFOV /(°)	d /inch	L /m	C₁	C₂	C₃	C₄	α	β
Harbor	90	12	12	1.1560	0.3466	9.840×10^-10	0.5751	0.7882	0.8901
Harbor	90	12	16	0.5510	0.1686	2.131×10^-3	0.8361	0.8986	0.7957
Coastal	90	12	30	0.1669	1.9360	2.569	0.9751	0.6361	0.8901
Coastal	90	12	50	0.5031	0.2139	0.5812	0.8361	0.7368	1.9430
Harbor	30	12	10	0.4160	0.8866	2.100×10^-4	0.3831	0.6812	0.9001
Harbor	60	12	10	1.3610	0.6986	3.131×10^-3	0.7361	0.6986	0.8957
Harbor	90	12	10	1.6760	0.5516	9.110×10^-10	0.6751	0.7382	0.9101
Coastal	90	8	45	0.2032	0.3872	3.610×10^-3	0.4156	0.7145	2.7960
Coastal	90	12	45	0.3672	0.2686	3.131×10^-3	0.8361	0.8126	2.8950
Coastal	90	16	45	0.8320	0.2816	1.260×10^-3	1.6751	0.9382	1.9900

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表 4不同UWOC信道中MGF的参数

Table4. Parameters of MGF in different UWOC channels

Water type	AFOV /(°)	d /inch	L /m	C₁	C₂	C₃	C₄	χ
Harbor	90	12	12	1.0870	0.0227	0.02326	0.05623	2.51100
Harbor	90	12	16	0.4936	5.5870	0.05923	0.03623	0.04124
Coastal	90	12	30	1.5870	0.8027	0.00326	0.15620	0.91100
Coastal	90	12	50	0.3836	2.2090	0.05923	1.53600	3.91200
Harbor	30	12	10	0.1972	0.5828	0.03263	0.65160	1.35800
Harbor	60	12	10	0.6036	0.6095	1.56000	1.03700	0.25160
Harbor	90	12	10	0.9936	0.8152	0.42890	0.05676	2.03900
Coastal	90	8	45	0.0759	0.7832	0.02682	2.82900	2.86500
Coastal	90	12	45	0.1352	0.7011	1.67200	3.91600	2.91500
Coastal	90	16	45	0.6279	1.1660	0.21260	0.07363	3.81600

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表 5不同UWOC信道中MGF和WDGF的RMSE值比较

Table5. Comparison of RMSE values of MGF and WDGF in different UWOC channels

Water type	AFOV /(°)	d /inch	L /m	RMSE of WDGF /%	RMSE of MGF /%
Harbor	90	12	12	0.64	0.25
Harbor	90	12	16	1.22	0.60
Coastal	90	12	30	0.98	0.11
Coastal	90	12	50	1.99	1.07
Harbor	30	12	10	0.42	0.16
Harbor	60	12	10	1.19	0.33
Harbor	90	12	10	1.98	0.59
Coastal	90	8	45	1.17	1.01
Coastal	90	12	45	1.69	1.50
Coastal	90	16	45	2.19	1.77

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表 6不同初始脉宽在UWOC信道中MGF参数及RMSE值

Table6. MGF parameters and RMSE values in UWOC channels with different initial pulse widths

Water type	AFOV /(°)	d /inch	L /m	ξ /ps	C₁	C₂	C₃	C₄	χ	RMSE /%
Harbor	90	12	10	10	0.1836	3.2110	0.05923	2.963	2.9120	0.3900
Harbor	90	12	10	5000	0.9136	0.6096	0.06312	1.136	1.4130	1.2000
Coastal	90	12	36	10	0.3816	2.0630	1.98000	2.162	0.1226	0.3800
Coastal	90	12	36	5000	1.3030	0.5916	0.05321	1.157	0.5026	1.1300

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李天松, 阳荣凯, 高翔, 黄艳虎. 水下无线激光传输脉冲响应建模[J]. 光学学报, 2019, 39(11): 1101001. Tiansong Li, Rongkai Yang, Xiang Gao, Yanhu Huang. Impulse Response Modeling for Underwater Wireless Laser Transmission[J]. Acta Optica Sinica, 2019, 39(11): 1101001.

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图 1. 不同散射相位函数与Petzold平均粒子相位函数对比。(a) 半对数坐标;(b) 双对数坐标

Fig. 1. Comparison of different scattering phase functions with Petzold average particle phase function. (a) Semi-logarithmic coordinates; (b) double logarithmic coordinates

图 2. 蒙特卡罗模拟仿真流程图

Fig. 2. Flow chart of Monte Carlo simulation

图 3. 不同海域中的信道脉冲响应建模。(a) 海港中不同链路距离;(b) 沿海中不同接收孔径;(c) 沿海中不同链路距离;(d) 海港中不同AFOV

Fig. 3. Modeling of channel impulse response in different sea areas. (a) Different link distances in harbor; (b) different receiving apertures in coast; (c) different link distances in coast; (d) different AFOVs in harbor

图 4. 不同海域中不同初始脉宽下的信道脉冲响应建模。(a) 沿海海域;(b) 海港海域

Fig. 4. Modeling of channel impulse response at different initial pulse widths in different sea areas. (a) Coastal water; (b) harbor water

表 1各散射函数和Petzold粒子相位函数之间的Δβ值对比

Table1. Comparison of Δβ between each scattering function and Petzold particle phase function

表 2不同水域类型中的衰减参数、散射反照率和不对称因子

Table2. Attenuation parameters, scattering albedo, and asymmetry factor in different water types

表 3不同UWOC信道中WDGF的参数

Table3. Parameters of WDGF in different UWOC channels

表 4不同UWOC信道中MGF的参数

Table4. Parameters of MGF in different UWOC channels

表 5不同UWOC信道中MGF和WDGF的RMSE值比较

Table5. Comparison of RMSE values of MGF and WDGF in different UWOC channels

表 6不同初始脉宽在UWOC信道中MGF参数及RMSE值

Table6. MGF parameters and RMSE values in UWOC channels with different initial pulse widths

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图 1. 不同散射相位函数与Petzold平均粒子相位函数对比。(a) 半对数坐标;(b) 双对数坐标

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图 2. 蒙特卡罗模拟仿真流程图

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图 3. 不同海域中的信道脉冲响应建模。(a) 海港中不同链路距离;(b) 沿海中不同接收孔径;(c) 沿海中不同链路距离;(d) 海港中不同AFOV

Fig. 3. Modeling of channel impulse response in different sea areas. (a) Different link distances in harbor; (b) different receiving apertures in coast; (c) different link distances in coast; (d) different AFOVs in harbor

图 4. 不同海域中不同初始脉宽下的信道脉冲响应建模。(a) 沿海海域;(b) 海港海域

Fig. 4. Modeling of channel impulse response at different initial pulse widths in different sea areas. (a) Coastal water; (b) harbor water

表 1各散射函数和Petzold粒子相位函数之间的Δβ值对比

Table1. Comparison of Δβ between each scattering function and Petzold particle phase function

表 2不同水域类型中的衰减参数、散射反照率和不对称因子

Table2. Attenuation parameters, scattering albedo, and asymmetry factor in different water types

表 3不同UWOC信道中WDGF的参数

Table3. Parameters of WDGF in different UWOC channels

表 4不同UWOC信道中MGF的参数

Table4. Parameters of MGF in different UWOC channels

表 5不同UWOC信道中MGF和WDGF的RMSE值比较

Table5. Comparison of RMSE values of MGF and WDGF in different UWOC channels

表 6不同初始脉宽在UWOC信道中MGF参数及RMSE值

Table6. MGF parameters and RMSE values in UWOC channels with different initial pulse widths

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