潜艇激光通信的数值模拟

吴方平++章曦++杨军++苗仁德++马书云++刘翠翠

摘 要：通过数值模拟，研究了潜艇海洋激光通信在风速一定和潜艇深度一定时的特点。模拟结果显示，潜艇深度对激光通信影响较大，风速对激光通信影响不大。

关键词：潜艇通信 激光通信 数值模拟

中图分类号：TN958.98 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（a）-0081-01

激光声作为水下声源的一种新的激发模式，具有高声强、窄脉冲、宽频谱和可远距离激发等优点，激光声理论及应用研究对海洋开发及国防具有重要意义[1]。激光脉冲受大气海洋信道中介质粒子的多重散射，导致信号波形产生多径时延扩展和幅度随机衰落，因此这种信道是非常复杂的随机参量信道[2]。本文利用数值模拟方法，模拟光在浑浊介质中传播的整个物理过程。

1 潜艇激光通信的数值模拟

潜艇激光通信的数值模拟包括光子束的发射，光子束与水体的相互作用（吸收与散射），光束出水共三个步骤。

在蒙特卡罗方法的源抽样处引入了高斯分布抽样模型，使发出光子的统计特性满足高斯光束的特性。设水体的单次散射率为，取区间内均匀分布的随机数，如果，则认为光子被吸收，终止对该光子的跟踪，反之则认为光子被散射。光子发生散射后，新的传播方向由散射相函数决定。

光束出水时经历海气界面的三维折射。海面的法线方向具有随机性，但也具有一定的规律性，Charles Cox等给出了海浪在一定风速下俯仰角的经验归一化概率密度公式。由此可以选用抽样法得到俯仰角的值，从而判定是否发生全反射及确定光束的出水方向。

2 模拟结果及分析

模拟发出的光子总数为100万个，潜艇深度MD分别取5 m，10 m，15 m，20 m，海面风速分别为v=5 m/s，10 m/s，15 m/s， 30 m/s，采用抽样法进行数值模拟。

2.1 潜艇深度对激光通信的影响分析

风速取v=15 m/s，潜艇深度MD=5 m，10 m，15 m，20 m时，接收光子数目和接收光子总权值，吸收光子数和全反射光子数的模拟结果如表1所示。

由表1可知，在潜艇深度为5 m时，6.46%的光子被接收到，该比例还是比较理想的，平均每个被接收到的光子的权值为0.39，吸收的光子占85.56%，全反射的光子占7.96%，其他比例的光子为出海面但不在接收视场内。在潜艇深度为10 m时，1.00%的光子被接收到，平均每个被接收到的光子的权值为0.25，吸收的光子占97.75%，全反射的光子占1.23%，之所以吸收的光子和全反射的光子均大大减少，是因为潜艇深度的增加使被吸收的光子数极大的增加了。在潜艇深度为15 m时，0.15%的光子被接收到，平均每个被接收到的光子的权值为0.16，吸收的光子占99.68%，全反射的光子占0.18%。在潜艇深度为20m时，0.02%的光子被接收到，平均每个被接收到的光子的权值为0.10， 吸收的光子占99.95%， 全反射的光子占0.03%。

综合上述分析，可以发现，潜艇深度对激光通信影响还是比较大的，潜艇深度每增加5 m，接收光子总权值约下降为增加深度前的10%，因此潜艇通信中使用的激光器功率的选择应主要参考潜艇深度。

2.2 风速对激光通信的影响

取潜艇深度MD=10 m，风速v=5 m/s， 10 m/s，15 m/s，30 m/s时，接收光子数目和接收光子总权值，吸收光子数和全反射光子数的模拟结果如表2所示。

由表2可知，风速为5 m时，0.99%的光子被接收到，平均每个被接收到的光子的权值为0.25，吸收的光子占97.78%，全反射的光子占1.22%。风速为5 m/s时，0.99%的光子被接收到，平均每个被接收到的光子的权值为0.25，吸收的光子占97.78%， 全反射的光子占1.22%。风速为15 m/s时，1.01%的光子被接收到，平均每个被接收到的光子的权值为0.25，吸收的光子占97.75%，全反射的光子占1.23%。风速为20 m/s时，0.99%的光子被接收到，平均每个被接收到的光子的权值为0.25，吸收的光子占97.77%，全反射的光子占1.23%。

对比4组数据，我们发现当潜艇深度一定时，风速对激光通信影响不大，接收光子数目和接收光子总权值，吸收光子数和全反射光子数这四个物理量均未有明显变化，这说明相比于潜艇深度，风速的影响不占主导地位，这可由海浪运动的随机性来解释。

3 结语

通过数值模拟，我们发现潜艇深度的增加将使接收光子数锐减，潜艇深度每增加5 m，接收光子数均约下降为增加深度前的0.15，而接收光子的平均权值约下降为增加深度前的0.64，接收光子总权值约下降为增加深度前的10%，大量光子的随机运动仍旧遵循统计规律。另一方面，模拟结果显示，风速对激光通信的影响较小，相比于潜艇深度，风速的影响不占主导地位。

参考文献

[1] 章曦，李配军，吴方平，等.基于蒙特卡罗方法的波动水面对激光水下目标探测的影响[J].中国激光，2012，39（7）.

[2] 梁波，朱海，陈卫标.大气到海洋激光通信信道仿真[J].光学学报，2007，27（7）：1166-1172.endprint

摘 要：通过数值模拟，研究了潜艇海洋激光通信在风速一定和潜艇深度一定时的特点。模拟结果显示，潜艇深度对激光通信影响较大，风速对激光通信影响不大。

关键词：潜艇通信 激光通信 数值模拟

中图分类号：TN958.98 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（a）-0081-01

激光声作为水下声源的一种新的激发模式，具有高声强、窄脉冲、宽频谱和可远距离激发等优点，激光声理论及应用研究对海洋开发及国防具有重要意义[1]。激光脉冲受大气海洋信道中介质粒子的多重散射，导致信号波形产生多径时延扩展和幅度随机衰落，因此这种信道是非常复杂的随机参量信道[2]。本文利用数值模拟方法，模拟光在浑浊介质中传播的整个物理过程。

1 潜艇激光通信的数值模拟

潜艇激光通信的数值模拟包括光子束的发射，光子束与水体的相互作用（吸收与散射），光束出水共三个步骤。

在蒙特卡罗方法的源抽样处引入了高斯分布抽样模型，使发出光子的统计特性满足高斯光束的特性。设水体的单次散射率为，取区间内均匀分布的随机数，如果，则认为光子被吸收，终止对该光子的跟踪，反之则认为光子被散射。光子发生散射后，新的传播方向由散射相函数决定。

光束出水时经历海气界面的三维折射。海面的法线方向具有随机性，但也具有一定的规律性，Charles Cox等给出了海浪在一定风速下俯仰角的经验归一化概率密度公式。由此可以选用抽样法得到俯仰角的值，从而判定是否发生全反射及确定光束的出水方向。

2 模拟结果及分析

模拟发出的光子总数为100万个，潜艇深度MD分别取5 m，10 m，15 m，20 m，海面风速分别为v=5 m/s，10 m/s，15 m/s， 30 m/s，采用抽样法进行数值模拟。

2.1 潜艇深度对激光通信的影响分析

风速取v=15 m/s，潜艇深度MD=5 m，10 m，15 m，20 m时，接收光子数目和接收光子总权值，吸收光子数和全反射光子数的模拟结果如表1所示。

由表1可知，在潜艇深度为5 m时，6.46%的光子被接收到，该比例还是比较理想的，平均每个被接收到的光子的权值为0.39，吸收的光子占85.56%，全反射的光子占7.96%，其他比例的光子为出海面但不在接收视场内。在潜艇深度为10 m时，1.00%的光子被接收到，平均每个被接收到的光子的权值为0.25，吸收的光子占97.75%，全反射的光子占1.23%，之所以吸收的光子和全反射的光子均大大减少，是因为潜艇深度的增加使被吸收的光子数极大的增加了。在潜艇深度为15 m时，0.15%的光子被接收到，平均每个被接收到的光子的权值为0.16，吸收的光子占99.68%，全反射的光子占0.18%。在潜艇深度为20m时，0.02%的光子被接收到，平均每个被接收到的光子的权值为0.10， 吸收的光子占99.95%， 全反射的光子占0.03%。

综合上述分析，可以发现，潜艇深度对激光通信影响还是比较大的，潜艇深度每增加5 m，接收光子总权值约下降为增加深度前的10%，因此潜艇通信中使用的激光器功率的选择应主要参考潜艇深度。

2.2 风速对激光通信的影响

取潜艇深度MD=10 m，风速v=5 m/s， 10 m/s，15 m/s，30 m/s时，接收光子数目和接收光子总权值，吸收光子数和全反射光子数的模拟结果如表2所示。

由表2可知，风速为5 m时，0.99%的光子被接收到，平均每个被接收到的光子的权值为0.25，吸收的光子占97.78%，全反射的光子占1.22%。风速为5 m/s时，0.99%的光子被接收到，平均每个被接收到的光子的权值为0.25，吸收的光子占97.78%， 全反射的光子占1.22%。风速为15 m/s时，1.01%的光子被接收到，平均每个被接收到的光子的权值为0.25，吸收的光子占97.75%，全反射的光子占1.23%。风速为20 m/s时，0.99%的光子被接收到，平均每个被接收到的光子的权值为0.25，吸收的光子占97.77%，全反射的光子占1.23%。

对比4组数据，我们发现当潜艇深度一定时，风速对激光通信影响不大，接收光子数目和接收光子总权值，吸收光子数和全反射光子数这四个物理量均未有明显变化，这说明相比于潜艇深度，风速的影响不占主导地位，这可由海浪运动的随机性来解释。

3 结语

通过数值模拟，我们发现潜艇深度的增加将使接收光子数锐减，潜艇深度每增加5 m，接收光子数均约下降为增加深度前的0.15，而接收光子的平均权值约下降为增加深度前的0.64，接收光子总权值约下降为增加深度前的10%，大量光子的随机运动仍旧遵循统计规律。另一方面，模拟结果显示，风速对激光通信的影响较小，相比于潜艇深度，风速的影响不占主导地位。

参考文献

[1] 章曦，李配军，吴方平，等.基于蒙特卡罗方法的波动水面对激光水下目标探测的影响[J].中国激光，2012，39（7）.

[2] 梁波，朱海，陈卫标.大气到海洋激光通信信道仿真[J].光学学报，2007，27（7）：1166-1172.endprint

摘 要：通过数值模拟，研究了潜艇海洋激光通信在风速一定和潜艇深度一定时的特点。模拟结果显示，潜艇深度对激光通信影响较大，风速对激光通信影响不大。

关键词：潜艇通信 激光通信 数值模拟

中图分类号：TN958.98 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（a）-0081-01

激光声作为水下声源的一种新的激发模式，具有高声强、窄脉冲、宽频谱和可远距离激发等优点，激光声理论及应用研究对海洋开发及国防具有重要意义[1]。激光脉冲受大气海洋信道中介质粒子的多重散射，导致信号波形产生多径时延扩展和幅度随机衰落，因此这种信道是非常复杂的随机参量信道[2]。本文利用数值模拟方法，模拟光在浑浊介质中传播的整个物理过程。

1 潜艇激光通信的数值模拟

潜艇激光通信的数值模拟包括光子束的发射，光子束与水体的相互作用（吸收与散射），光束出水共三个步骤。

在蒙特卡罗方法的源抽样处引入了高斯分布抽样模型，使发出光子的统计特性满足高斯光束的特性。设水体的单次散射率为，取区间内均匀分布的随机数，如果，则认为光子被吸收，终止对该光子的跟踪，反之则认为光子被散射。光子发生散射后，新的传播方向由散射相函数决定。

光束出水时经历海气界面的三维折射。海面的法线方向具有随机性，但也具有一定的规律性，Charles Cox等给出了海浪在一定风速下俯仰角的经验归一化概率密度公式。由此可以选用抽样法得到俯仰角的值，从而判定是否发生全反射及确定光束的出水方向。

2 模拟结果及分析

模拟发出的光子总数为100万个，潜艇深度MD分别取5 m，10 m，15 m，20 m，海面风速分别为v=5 m/s，10 m/s，15 m/s， 30 m/s，采用抽样法进行数值模拟。

2.1 潜艇深度对激光通信的影响分析

风速取v=15 m/s，潜艇深度MD=5 m，10 m，15 m，20 m时，接收光子数目和接收光子总权值，吸收光子数和全反射光子数的模拟结果如表1所示。

由表1可知，在潜艇深度为5 m时，6.46%的光子被接收到，该比例还是比较理想的，平均每个被接收到的光子的权值为0.39，吸收的光子占85.56%，全反射的光子占7.96%，其他比例的光子为出海面但不在接收视场内。在潜艇深度为10 m时，1.00%的光子被接收到，平均每个被接收到的光子的权值为0.25，吸收的光子占97.75%，全反射的光子占1.23%，之所以吸收的光子和全反射的光子均大大减少，是因为潜艇深度的增加使被吸收的光子数极大的增加了。在潜艇深度为15 m时，0.15%的光子被接收到，平均每个被接收到的光子的权值为0.16，吸收的光子占99.68%，全反射的光子占0.18%。在潜艇深度为20m时，0.02%的光子被接收到，平均每个被接收到的光子的权值为0.10， 吸收的光子占99.95%， 全反射的光子占0.03%。

综合上述分析，可以发现，潜艇深度对激光通信影响还是比较大的，潜艇深度每增加5 m，接收光子总权值约下降为增加深度前的10%，因此潜艇通信中使用的激光器功率的选择应主要参考潜艇深度。

2.2 风速对激光通信的影响

取潜艇深度MD=10 m，风速v=5 m/s， 10 m/s，15 m/s，30 m/s时，接收光子数目和接收光子总权值，吸收光子数和全反射光子数的模拟结果如表2所示。

由表2可知，风速为5 m时，0.99%的光子被接收到，平均每个被接收到的光子的权值为0.25，吸收的光子占97.78%，全反射的光子占1.22%。风速为5 m/s时，0.99%的光子被接收到，平均每个被接收到的光子的权值为0.25，吸收的光子占97.78%， 全反射的光子占1.22%。风速为15 m/s时，1.01%的光子被接收到，平均每个被接收到的光子的权值为0.25，吸收的光子占97.75%，全反射的光子占1.23%。风速为20 m/s时，0.99%的光子被接收到，平均每个被接收到的光子的权值为0.25，吸收的光子占97.77%，全反射的光子占1.23%。

对比4组数据，我们发现当潜艇深度一定时，风速对激光通信影响不大，接收光子数目和接收光子总权值，吸收光子数和全反射光子数这四个物理量均未有明显变化，这说明相比于潜艇深度，风速的影响不占主导地位，这可由海浪运动的随机性来解释。

3 结语

通过数值模拟，我们发现潜艇深度的增加将使接收光子数锐减，潜艇深度每增加5 m，接收光子数均约下降为增加深度前的0.15，而接收光子的平均权值约下降为增加深度前的0.64，接收光子总权值约下降为增加深度前的10%，大量光子的随机运动仍旧遵循统计规律。另一方面，模拟结果显示，风速对激光通信的影响较小，相比于潜艇深度，风速的影响不占主导地位。

参考文献

[1] 章曦，李配军，吴方平，等.基于蒙特卡罗方法的波动水面对激光水下目标探测的影响[J].中国激光，2012，39（7）.

[2] 梁波，朱海，陈卫标.大气到海洋激光通信信道仿真[J].光学学报，2007，27（7）：1166-1172.endprint