结合Sahu-Shanmugam和Fournier-Forand体积散射函数,使用蒙特卡罗方法建立水下激光传输信道模型,利用该模型分析了接收端的光束扩展特性。研究了三种典型水域下,接收视场角和接收面直径对光束功率密度的影响,以及不同接收距离下光束功率密度的分布特性。结果表明:随着水域散射系数的增大和传输距离的增加,会加剧光束分布扩展;随着接收面直径的增大,光束功率密度的变化趋势逐渐减小,光束功率密度幅值随着接收视场角的增大而增加;随着传输距离的增加,光束功率密度分布逐渐离散。这些结果为水下定位或水下接收机等设计提供参考。

针对海洋信道中多重散射导致的以脉冲响应为特征的激光脉冲时延展宽问题,采用蒙特卡罗模拟方法和Gamma函数,构建了水下无线激光传输脉冲响应模型。分析海水的光学特性,提出一种多Gamma函数模拟水下信道脉冲响应的闭合表达式。理论分析和建模结果表明:该模型采用4个Gamma函数表示激光脉冲在水下的传输过程,即由于散射作用强弱差异产生的4条长度不同的路径。其中前3条以散射级数低、光程较短的准弹道光路径为主,最后1条为散射级数高且多重散射光占主体的路径。同时通过对比验证了所提模型的准确性和优异性,采用该模型对不同系统参数下激光传输脉冲响应进行建模,其结果很好地描述了激光脉冲水下散射特性和脉冲时延展宽特性。

利用蒙特卡罗数值模拟方法研究了海水散射引起的激光脉冲时延效应,分析了海水类型、传输距离、收发器参数等对激光脉冲时延的影响。数值仿真结果表明,在清澈海域,激光脉冲的时延展宽随传输距离的增加变化不明显,且在传输距离小于50 m时,信道时延小于0.5 ns,收发器参数对信道时延的影响小;而在浑浊海域,信道散射引起的多径效应会使接收功率随接收孔径的增大而升高,信道时延也会随之增大。当接收视场角小于90°时,其对接收功率和时延展宽的影响大;当视场角为90°~180°时,其对接收功率和时延展宽的影响小。

为了解决激光通信中符号同步传输效率低问题,采用了超帧同步取代符号同步方法。在分析多脉冲位置调制码型和帧长的特点基础上,详细分析了不同的组合巴克码做多脉冲位置调制超帧同步码的方法,计算了不同长度帧的同步码长度。仿真结果表明,这种方法能实现二进制数据的正确解调。该研究结果对提高激光通信同步性能具有一定的理论参考价值。

多脉冲位置调制(MPPM)是基于脉冲位置调制(PPM)的改进形式,已成为卫星光通信中高效调制方式。针对存在背景辐射、大气湍流、热噪声的卫星光通信信道,研究了远场激光脉冲展宽机理和时钟抖动对系统的影响。提出基于格雷码的MPPM联合编码调制方式减小时钟抖动和码间干扰影响,应用星座图设计了基于格雷码(7,2)MPPM映射方法,在相同传输带宽下(7,2)MPPM的传输效率超过16PPM的2倍。分析泊松信道下基于格雷编码的(7,2)MPPM字符错误概率和比特错误概率(BEP)。结果表明,采用格雷编码MPPM可以有效抵御定时误差并降低系统比特错误概率。

为了研究低密度奇偶校验码在水下激光通信系统中的性能,采用软判决迭代译码算法对系统误比特率进行了仿真,并对水下激光通信的信道模型和低密度奇偶校验码的编译码方式进行了探讨。在一定码长和调制阶数条件下,当信号光子数ns增大时,可以使误比特率降到10-5以下。结果表明,通过利用光电检测输出的软信息进行低密度奇偶校验软判决译码可以明显地降低系统误比特率。

多脉冲位置调制(multi-pulse position modulation,MPPM)与脉冲位置调制相比具有能量信息效率高和带宽低的优点,是水下激光通信中一种有效的通信方式。为了研究时钟抖动对激光水下多脉冲位置调制通信的误码影响,在分析MPPM时钟抖动时的性能的基础上,通过理论计算提出了MPPM最小误比特率的映射列表的方法,分析并仿真了MPPM使用二进制码和格雷码两种编码方式的误比特率。结果表明,在相同的传输带宽和传输速率下,使用格雷码编码的MPPM误码性能优于二进制编码,且MPPM的性能优于脉冲位置调制,误比特率降低约2.4dB。该研究结果对提高水下激光通信性能具有一定的理论参考价值。

介绍了距离选通水下激光成像技术的原理及其技术进展,并具体设计与实现了一种新型的水下激光成像系统。距离选通成像方式是一种减小水介质后向散射的有效方法,利用水介质对可见光光谱的低损耗窗口效应,采用蓝绿波长的脉冲激光器提供主动照明,CCD作为接收器,可在提高目标场景照度的同时,减小后向散射的影响,实现水下距离选通激光成像。实验证明,水下距离选通激光成像技术可以克服传统水下成像的缺点,具有成像清晰,对比度高,不受环境光源的影响等优点,已成为国内外重点研究的关键技术。