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。