【摘要】：藍(lán)綠激光水下通信是近年來水下通信的研究熱點(diǎn)之一。隨著水下傳感與機(jī)器人、水下激光雷達(dá)、水下圖像傳輸、水下光通信等應(yīng)用的興起,深入研究激光束在水下的湍流效應(yīng)及通信性能就顯得尤為重要。激光束在水下傳輸過程中受到散射、吸收的衰減效應(yīng),限制了激光束在水下的傳輸距離,降低了水下激光通信質(zhì)量,故如何提高水下通信質(zhì)量降低誤碼率等相關(guān)問題尤為重要。為了降低海洋湍流對(duì)水下系統(tǒng)鏈路性能的影響,本文提出了具有抗大氣湍流的性質(zhì)的處于藍(lán)綠波段的光孤子形脈沖和貝塞爾光束應(yīng)用于水下傳輸系統(tǒng)。首先,介紹了海洋吸收、散射、湍流的基礎(chǔ)理論,介紹了激光在水下傳輸?shù)难芯糠椒?包括Born近似法,Rytov近似法、隨機(jī)相位屏法、小角度分析法、蒙特卡羅法。其次,假定水下通信系統(tǒng)是開關(guān)鍵控OOK調(diào)制的情況下,利用激光在水下的傳輸過程的研究方法結(jié)合海洋弱湍流Lognormal模型,首先推導(dǎo)出了光孤子、矩形、高斯光束的水下通信的閃爍系數(shù)模型和誤碼率模型,分析了不同動(dòng)能耗散率、溫度方差耗散率、Kolmogorov微尺度、鹽度變化與溫度變化誘致的比值、接收孔徑時(shí)信噪比與誤碼率的關(guān)系、距離與時(shí)域展寬的關(guān)系,通過與高斯和矩形光束對(duì)比,驗(yàn)證了光孤子脈沖用于水下通信的優(yōu)勢(shì),為下一步研究提供理論參考;其次,利用傅里葉變換和隨機(jī)相位屏的方法仿真了貝塞爾光束經(jīng)過海洋湍流后的光斑情況,推導(dǎo)出了貝塞爾光束水下通信受湍流擾動(dòng)的Rytov一階干擾項(xiàng),結(jié)合Matlab數(shù)值模擬了不同海洋參數(shù)下的貝塞爾中心亮斑與閃爍系數(shù)的關(guān)系和通信距離與誤碼率的關(guān)系從而得到了貝塞爾光束中心亮斑直徑的大小對(duì)閃爍系數(shù)的影響和不同湍流系數(shù)對(duì)誤碼率的影響。最后,設(shè)計(jì)了強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)開關(guān)鍵控OOK調(diào)制格式的貝塞爾光束、高斯光束的不同信道下的水下通信實(shí)驗(yàn),搭建了清水、湍流、水流、氣泡和散射劑信道下速率為1-4MHz的方波信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)和清水、湍流、水流信道的速率為2.406Mbps的二進(jìn)制數(shù)字通信實(shí)驗(yàn),分析了不同信道下的信號(hào)波形和峰值抖動(dòng)和功率與通信誤碼率的關(guān)系,通過與高斯光束對(duì)比,驗(yàn)證了貝塞爾水下通信抗湍流和水流的優(yōu)勢(shì)。本文研究的內(nèi)容對(duì)未來水下無線光通信領(lǐng)域的實(shí)用化等有一定的參考價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：長(zhǎng)春理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN929.1
【圖文】：

a） b）圖 1.1 6m-10Gbps 水下通信系統(tǒng)a）通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖 b）2、4、6m 水下系統(tǒng)誤碼率與星座圖1.2.2 改善水下無線激光通信性能國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀在海水信道中，隨著通信距離越長(zhǎng)，受散射、吸收、湍流的影響，信號(hào)幅度降，信噪比降低，最終導(dǎo)致水下激光通信系統(tǒng)的誤碼率提升，最遠(yuǎn)通信距離受限。此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了很多有效的減少誤碼率，提高信噪比的方法，例如利用編碼術(shù)、多發(fā)射多接收、增大發(fā)射端功率、特殊波形等方法，如下：2011 年，上海光機(jī)所設(shè)計(jì)了一套水下無線光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)用 PPM 調(diào)制為調(diào)制方式，對(duì)信號(hào)編碼和解碼的處理處理模塊的帶寬為 20MHz，水下通信系統(tǒng)裝放置在中船 702 的水池中，該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了距離為 125m，傳輸速率為 10 kbps 的通且誤碼率（BER）小于 10-5。2012 年，上海光學(xué)精密機(jī)械研究所胡思齊等提出了用最大比合并分集接收技（MRC）提升水下激光通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。由理論分析和仿真結(jié)果可知，最大比

實(shí)驗(yàn)裝置圖如下圖所示[59]：a） b）圖 1.1 6m-10Gbps 水下通信系統(tǒng)a）通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖 b）2、4、6m 水下系統(tǒng)誤碼率與星座圖1.2.2 改善水下無線激光通信性能國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀在海水信道中，隨著通信距離越長(zhǎng)，受散射、吸收、湍流的影響，信號(hào)幅度下降，信噪比降低，最終導(dǎo)致水下激光通信系統(tǒng)的誤碼率提升，最遠(yuǎn)通信距離受限。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了很多有效的減少誤碼率，提高信噪比的方法，例如利用編碼技術(shù)、多發(fā)射多接收、增大發(fā)射端功率、特殊波形等方法，如下：2011 年，上海光機(jī)所設(shè)計(jì)了一套水下無線光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)用 PPM 調(diào)制作為調(diào)制方式，對(duì)信號(hào)編碼和解碼的處理處理模塊的帶寬為 20MHz，水下通信系統(tǒng)裝置放置在中船 702 的水池中，該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了距離為 125m，傳輸速率為 10 kbps 的通信，且誤碼率（BER）小于 10-5。2012 年

6圖 1.3 空水混合信道 256Gbps 通信誤碼率圖[60]激光水下通信中，海洋散射、湍流為主要的影動(dòng)引起了誤碼率顯著提高，通信質(zhì)量下降的十碼技術(shù)、多發(fā)射多接收、增大發(fā)射端功率、特ido Balsells[18]的研究中可以看出，光孤子形脈湍流特性的。從 2017 年華中科技大學(xué) Yifan Z爾光束具有氣泡容忍和湍流容忍的性質(zhì)，使

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2764611