【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无线光传输的信道建模和仿真，具体涉及一种基于光子追迹的空海跨介质光传输信道动态仿真方法。
技术介绍
1、水下通信、探测和成像在海洋勘探、海底资源开发以及水下航行等领域具有重要意义。传统的水下目标探测方法如声纳、磁力计等存在一些困难和局限性，因此需要寻找新的探测技术。近年来，光学技术的快速发展为水下通信、成像和探测提供了新的选择。其中，蓝绿光由于其在海水中的穿透性较好，成为跨介质水下通信、成像和探测的研究热点之一。然而，海、浪、涌等各种复杂海况因素使得跨介质水下通信、探测和成像等技术的的发展一直滞后于地面、空中和空间。特别是光束穿过海-空界面处时会产生复杂的反射和折射过程，而波动海浪的随机起伏，海浪会导致光束的漂移、闪烁、弯曲、分裂等，直接影响通信、成像和探测系统性能，对无线光传输信号和系统设计起到决定性作用。然而，现有的空海跨介质无线光传输信道仿真主要是根据光源的几何发散角，以及离海面的距离，来确定光束与海浪表面的交点坐标，人为设定相关的参数，实现空海跨介质信道仿真。但由于海浪波动的复杂性和光子传输路径的不确定性，这种方法所生成光传输轨迹与实际海空跨介质光传输轨迹有较大差别，并且不能表征特定海况下的无线光信号与波动海面交互情况。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于光子追迹的空海跨介质光传输信道动态仿真方法，以解决现有空海跨介质光传输特性仿真精度低的难题。
2、本专利技术具体采用以下方案解决上述技术问题：>
3、一种基于光子追迹的空海跨介质光传输信道动态仿真方法，包括如下步骤：
4、步骤1，建立统一的坐标系，将光子和海面放在同一个坐标系下，并对系统参数进行初始化；
5、步骤2，光子开始传输，首先生成光子初始坐标(x0,y0,z0)和初始时间t0，后续对光子运动过程中的坐标(xi,yi,zi)和时间ti进行更新；
6、步骤3，根据三维海浪模型计算浪高的最大值和最小值，将浪高的最大值和最小值转换为坐标系下对应的z值，浪高最大值记为zmax，浪高最小值记为zmin，然后根据光子第i次碰撞点和i+1次碰撞点的z坐标值判断光子是否穿过海面，当zi＜zmax且zi+1＞zmin时，则光子在两次碰撞之间穿过了海面；当zi+1＜zmax时，光子未穿过海面；
7、步骤4，若光子在第i次碰撞点到i+1次碰撞点之间的运动过程中穿过了海面，首先求两次碰撞点之间不同时刻的光子坐标；然后限定三维海面大小，计算出海面的三维坐标，即多个点组成的海面；对于ti时刻的光子坐标点，进一步遍历三维海面坐标，计算每个海面坐标与ti时刻光子坐标点的距离，记录最短距离si和最短距离距离si下对应的海面坐标，同理，遍历不同时刻的光子坐标，最后找到两次碰撞之间不同时刻下对应的最短距离s1、s2、…sn，s1、s2、…sn中最小值对应的海面坐标为光子与海面的交点；确定海面交点后，计算光子的折射方向，对光子穿过海面后的传播方向进行更正，后续光子回到步骤2继续传输到达接收面；
8、步骤5，若光子未穿过海面，则光子回到步骤2继续传输。
9、进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤1的坐标系建立过程如下：设定光源所在平面为xoy平面，光子传播方向为z轴正方向；
10、参数初始化包括：
11、设定光波波长和高斯光束的束宽，设定光源到海平面的距离为h1，设定光源到海浪表面这段介质的吸收系数a、散射系数b，衰减系数c，c＝a+b。
12、进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤2生成的光子初始坐标为(x0,y0,z0)，光子初始的传输时间t0＝0；
13、接着生成光子的初始方向角和发散角，根据初始方向角和发散角确定光子的初始方向向量(ux0,uy0,uz0)；
14、后续光子坐标和光子运动时间更新如下：
15、生成光子的自由步长d，记录光子未经历自由步长时的时间tbefore＝ti-1和坐标(xbefore,ybefore,zbefore)，
16、
17、然后根据光子的速度vg与光子自由步长d的关系，更新光子经历自由步长后的时间ti，
18、
19、最后根据光子未经历自由步长时的坐标(xbefore,ybefore,zbefore)和光子运动的方向向量(uxi,uyi,uzi)，更新光子经过自由步长之后的坐标(xi,yi,zi)：
20、
21、光子碰撞时，根据hg散射相函数计算光子散射角θ与方位角
22、
23、其中g为非对称因子，取g＝0.924，r4、r5是取值为(0,1)之间均匀分布的随机数；
24、光子方向(uxi+1,uyi+1,uzi+1)更新如下：
25、
26、
27、进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤3计算浪高最大值和最小值过程为：
28、因为光速很快，光子在海浪表面附近运动的这段时间内，海浪表面坐标的微小变化可以忽略不计，为了简化仿真过程，在用三维海面模型计算海浪面坐标时可取时间其中h1为光源到海平面的距离、vg为光速；
29、首先计算在ts时刻，海浪浪高的最小值lmin和最大值lmax，lmax和lmin为带符号的数值，将浪高的最小值和最大值转化为坐标系下对应的z值，记为zmin和zmax，zmax＝hair-lmax，zmin＝hair-lmin；
30、然后根据光子第i次碰撞点和i+1次碰撞点的z坐标值判断光子是否穿过海面，具体如下：
31、若光子碰撞前的z值小于浪高最高点对应的z值，碰撞后光子坐标的z值大于浪高最低点对应的z值，即zi＜zmax且zi+1＞zmin时，则光子此次运动过程中穿过海浪表面；当zi+1＜zmax时，光子未穿过海面。
32、进一步地，步骤4具体过程如下：
33、光子在第i次碰撞点的坐标为(xno,yno,zno)，对应时刻为tno，此时光子未穿过海面；到达第i+1次碰撞点时光子已经穿过海浪表面，对应时间为tyes；
34、计算光子与海浪表面的交点步骤如下：
35、设定时间间隔，计算tno～tyes不同时刻的光子坐标；
36、其中ti时刻的光子坐标(xi,yi,zi)为：
37、
38、其中(xno,yno,zno)是tno时刻的光子坐标，ux、uy、uz为对应的方向向量；
39、计算tno～tyes之间光子坐标x、y值的最大值xmax和ymax、最小值xmin和ymin，用来限定海面大小，根据三维海面方程，生成xmin～xmax、ymin～ymax范围之间的三维海面坐标；
40、对于ti时刻的光子坐标点，进一步遍历三维海面坐标，计算每个海面坐标与ti时刻光子坐标点的距离，记录最短距离s本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于光子追迹的空海跨介质光传输信道动态仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于光子追迹的空海跨介质光传输信道动态仿真方法，其特征在于，步骤1的坐标系建立过程如下：
3.根据权利要求1所述的一种基于光子追迹的空海跨介质光传输信道动态仿真方法，其特征在于，步骤2生成的光子初始坐标为(x0,y0,z0)，光子初始的传输时间t0＝0；
4.根据权利要求1所述的一种基于光子追迹的空海跨介质光传输信道动态仿真方法，其特征在于，步骤3计算浪高最大值和最小值过程为：
5.根据权利要求1所述的一种基于光子追迹的空海跨介质光传输信道动态仿真方法，其特征在于，步骤4包括如下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种基于光子追迹的空海跨介质光传输信道动态仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于光子追迹的空海跨介质光传输信道动态仿真方法，其特征在于，步骤1的坐标系建立过程如下：
3.根据权利要求1所述的一种基于光子追迹的空海跨介质光传输信道动态仿真方法，其特征在于，步骤2生成的...
【专利技术属性】
技术研发人员：敖珺，裴凯歌，马春波，郭韩俊，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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