一种非均匀海水的垂直信道链路分层方法技术

本发明专利技术公开了一种非均匀海水的垂直信道链路分层方法，包括获取海水垂直方向上的叶绿素浓度或者海水中的吸收、散射光谱；基于标准a）或标准b）得到光衰减垂直分布特性；标准a）：处理数据为垂直方向上的叶绿素浓度，则基于叶绿素浓度的垂直分布，建立叶绿素单参数衰减模型，得到光谱漫射衰减系数的垂直分布；标准b）：处理数据为吸收、散射光谱，则基于海水中纯水、黄腐酸、腐殖酸和叶绿素的吸收光谱以及海水中纯水、大小颗粒物的散射光谱，得到吸收光谱与散射光谱之和；根据海水中垂直链路的衰减情况对信道链路进行非均匀分层。以海水组成介质的垂直分布为标准对海域内不同深度的光传输链路进行非均匀分层，提升通信系统的可靠性和稳定性。定性。定性。

【技术实现步骤摘要】
一种非均匀海水的垂直信道链路分层方法


[0001]本专利技术属于水下无线光通信信道建模领域，具体是指一种非均匀海水的垂直信道链路分层方法，垂直是指具有垂直距离的通信链路，包括垂直和斜程路径的海水信道。

技术介绍

[0002]水下无线光通信是海洋环境监测、水下无线传感器网络以及军事防御中的关键技术，海水作为通信的传输介质，其光学特性是无线光通信系统的设计和部署需要着重考虑的因素。真实的海洋环境中，海水中除了含有大量的水分子、溶解物质和浮游生物等，还包含大量的悬浮粒子和黄色物质。海水的光学特性与其组成成分密切相关，因此光学特性十分复杂，这也导致激光在海水信道中的链路衰减比大气严重得多。其中，影响光在水下传播的两个主要因素是海水介质的各种不均匀分布特性对光的吸收和散射：一方面，海水对光能量的吸收由水分子、各种生物颗粒、溶解物、矿物质等共同决定；另一方面，非纯海水的悬浮粒子或纯水中分子或离子的碰撞造成光束的多次散射。诸多海洋实验研究表明，海水信道中各衰减介质相对大气信道而言成分更多且分布更复杂，不同海域的水体成分、浓度分布以及同一海域不同深度，不同时间的水体成分、浓度分布差异都较大，这导致海水的吸收、散射特性都随着时间和空间的不同而变化。当前研究表明，海水信道建模主要考虑水体的吸收和散射效应，且假设所研究水体为均匀分布的各向同性介质。关于海水吸收和散射的垂直分布特性分析的却比较少，即使有少部分信道建模将海水垂直链路进行了分层，也仅限于某特定的海域，且对海域位置限制大，不具灵活性。
[0003]目前，海水信道建模都是基于光学收发器是完全对准的水平链路，且传输介质满足各向同性。关于激光在海水中的传输特性，一般是建立在水体介质为均匀分布的假设下，即水体参数是定常性和各向同性的，没有考虑到海水传输介质的吸收和散射会因其深度的变化而变化这一问题。然而实际的水下通信系统中，收发器间并不可能完全对准，始终存在倾斜，且垂直方向上不同深度的叶绿素浓度、颗粒含量以及浑浊程度等并非一个常数，而这些又直接影响着海水光学性质，导致衰减系数随着深度不同而变化。因此，针对海水光学特性在垂直方向上的变化、建立相应的垂直光链路衰减模型描述光束在海水垂直方向的传输特性，分析各介质对激光的衰减情况对于水下通信、海洋探测以及水下对空通信等
有着重要的意义。为了更加真实地反映激光在海水信道的传输特性，减小垂直光链路通信的衰减误差，海水信道垂直链路建模必不可少。

技术实现思路

[0004]海水在垂直或斜程链路上为非均匀分布的各向异性介质，针对海水信道垂直方向上不同深度的叶绿素浓度、颗粒含量以及浑浊程度等并非一个常数，不能简单将海水中的吸收和散射系数视为常量，据此，本专利技术提出一种非均匀海水的垂直信道链路分层方法，对海水垂直信道光传输路径分层建模，本专利技术能准确建立海水垂直方向上光通信链路模型，更加贴合实际地反映海水垂直链路的光衰减特性。
[0005]本专利技术要解决的技术问题是：本专利技术可以解决不同海域、不同时间、不同深度处的水下无线光通信系统功率估计不准确问题以及通信过程中系统收发机之间的非对准问题。以海水组成介质的垂直分布为标准对海域内不同深度的光传输链路进行非均匀分层，从而指导水下无线光通信系统发射功率、接收机口径等参数的调整，提升通信系统的可靠性和稳定性。
[0006]本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：
[0007]一种非均匀海水的垂直信道链路分层方法，包括如下步骤：
[0008]1)获取海水垂直方向上的叶绿素浓度或者海水中的吸收、散射光谱，视该垂直方向上垂直链路上的海水为非均匀介质，该链路不限制通信方向即上行或下行通信方向、不限制信道链路形式即垂直或斜程链路形式、不限制通信距离、不限制通信平台；
[0009]2)基于标准a)或标准b)得到非均匀海水的光衰减垂直分布特性；
[0010]标准a)：处理数据为垂直方向上的叶绿素浓度，则基于叶绿素浓度的垂直分布，建立叶绿素单参数衰减模型，得到光谱漫射衰减系数的垂直分布；
[0011]标准b)：处理数据为吸收、散射光谱，则基于海水中纯水、黄腐酸、腐殖酸和叶绿素的吸收光谱以及海水中纯水、大小颗粒物的散射光谱，得到海水垂直方向上的总衰减，即吸收光谱与散射光谱之和；
[0012]3)根据海水中垂直链路的衰减情况对信道链路进行非均匀分层。
[0013]进一步地，所述标准a)包括如下步骤：
[0014]a
‑
1)获取海水垂直方向上的叶绿素浓度Chl(单位为mg/m
‑3)；
[0015]a
‑
2)将叶绿素浓度Chl转化为相对应的漫射衰减系数K
d
：
[0016]K
d
＝0.04454+0.04829
×
(Chl)
0.67224
[0017]a
‑
3)根据海水的吸收、散射系数(单位为m
‑1)与漫射衰减系数K
d
的关系，计算吸收系数a和散射系数b：
[0018]a＝0.75K
d
，b＝K
d
[0019]a
‑
4)总衰减系数c则为吸收、散射系数之和：
[0020]c＝a+b
[0021] ＝0.078+0.0845(Chl)
0.67224
。
[0022]获取海水垂直方向上的叶绿素浓度基于以上建立叶绿素单参数衰减模型，即可得到海水垂直方向上的衰减情况。
[0023]进一步地，所述标准b)包括如下步骤：
[0024]b
‑
1)海水中主要考虑纯水、叶绿素和被溶解物引起的吸收效应，吸收光谱a(λ)如下式所示：
[0025][0026]式中λ为波长，400～700nm；a
w
表示纯水的吸收光谱，表示黄腐酸的吸收光谱，表示腐殖酸的吸收光谱，表示叶绿素的吸收光谱，且且A(λ)和B(λ)是经验常数，a
w
和单位为m
‑1；k
h
和k
f
为两种黄腐酸的
指数系数，其中k
h
＝0.0189nm
‑1，k
f
＝0.01105nm
‑1；为海水表层叶绿素浓度，单位mg/m3；C
h
为黄腐酸浓度，C
f
为腐殖酸浓度，C
chl
为叶绿素浓度，单位mg/m3，且有如下关系：
[0027]C
h
＝1.174098C
chl
exp(0.12327C
chl
)
[0028]C
f
＝0.19334C
f
exp(0.12343C
f
)；
[0029]b
‑
2)海水的散射光谱表示为：
[0030][0031]式中b
w
(λ)为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非均匀海水的垂直信道链路分层方法，其特征在于，包括如下步骤：1)获取海水垂直方向上的叶绿素浓度或者海水中的吸收、散射光谱，视该垂直方向上垂直链路上的海水为非均匀介质，该链路不限制通信方向即上行或下行通信方向、不限制信道链路形式即垂直或斜程链路形式、不限制通信距离、不限制通信平台；2)基于标准a)或标准b)得到非均匀海水的光衰减垂直分布特性；标准a)：处理数据为垂直方向上的叶绿素浓度，则基于叶绿素浓度的垂直分布，建立叶绿素单参数衰减模型，得到光谱漫射衰减系数的垂直分布；标准b)：处理数据为吸收、散射光谱，则基于海水中纯水、黄腐酸、腐殖酸和叶绿素的吸收光谱以及海水中纯水、大小颗粒物的散射光谱，得到海水垂直方向上的总衰减，即吸收光谱与散射光谱之和；3)根据海水中垂直链路的衰减情况对信道链路进行非均匀分层。2.根据权利要求1所述的非均匀海水的垂直信道链路分层方法，其特征在于，所述标准a)包括如下步骤：a
‑
1)获取海水垂直方向上的叶绿素浓度Chl(单位为mg/m
‑3)；a
‑
2)将叶绿素浓度Chl转化为相对应的漫射衰减系数K
d
：K
d
＝0.04454+0.04829
×
(Chl)
0.67224
a
‑
3)根据海水的吸收、散射系数(单位为m
‑1)与漫射衰减系数K
d
的关系，计算吸收系数a和散射系数b：a＝0.75K
d
，b＝K
d
a
‑
4)总衰减系数c则为吸收、散射系数之和：c＝a+b＝0.078+0.0845(Chl)
0.67224
。3.根据权利要求1所述的非均匀海水的垂直信道链路分层方法，其特征在于，所述标准b)包括如下步骤：b
‑
1)海水吸收光谱a(λ)如下式所示：式中λ为波长，400～700nm；a
w
表示纯水的吸收光谱，表示黄腐酸的吸收光谱，表示腐殖酸的吸收光谱，表示叶绿素的吸收光谱，且表示叶绿素的吸收光谱，且A(λ)和B(λ)是经验常数，a
w
和单位为m
‑1；k
h
和k
f
为两种黄腐酸的指数系数，其中k

【专利技术属性】
技术研发人员：马春波，王莹，敖珺，翟德燕，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：