海面的光传输衰减分析

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摘 要： 本文分别通过采用反射率直接计算海面对光的能量衰减，以及采用蒙特卡罗（Monte Carlo）方法模拟海面对光的能量衰减，并对两种方法进行了对比。对比结果显示，方法考虑的参数不同，海面的衰减会产生较大差别，所以大气对水下激光传输的能量衰减不是简单的相加关系，而应该结合全链路对能量衰减进行分析。

关键词： 海面 能量衰减 反射率 蒙特卡罗

1.引言

虽然海洋覆盖了地球的大部分表面，但是普遍的海洋领域仍然是未开发的，尤其是激光在海面中的通信领域[1]。水下激光通信是利用海水对蓝绿激光所具有的低损耗窗口，依靠大气、海面和海水作为光信道，实现水上（飞机或卫星等）对水下接收目标的激光通信[2]。大量研究表明，激光通信具有工作频率高、通信频带宽、数据传输能力强，波束宽度窄、方向性好，所需设备轻小，保密性好、抗干扰能力强，受电磁及核辐射的影响小等特点，因其潜在的水下通信优势，成为一个迅速发展的领域[3]。

海面作为水下激光通信的一个重要组成部分，其随机性和不稳定性，是当今激光通信领域的技术瓶颈之一。杜竹峰利用能量传输方程对机载激光水下接收信号衰减进行了分析，结论显示信号衰减与通信时的信道状况是密切相关的，并且在各衰减项中，接收天线面积与光脉冲在水下接收平面的光斑面积之比是影响最大的，而海面是影响水下接收平台接收平面光斑面积的最主要因素之一[4]。詹恩奇等人考虑自然光和海水浮游生物等产生的背景辐射及云层、海面和海水等介质的光辐射透过率，利用星载激光对潜通信能量方程估算了潜艇接收信号能量衰减大约可达-112至-140dB，并利用Monte Carlo方法计算星载激光对潜通信水下接收光斑分布状况[5]。

本文主要通过反射率直接计算不同风速的能量衰减，同时采用蒙特卡罗方法分析海面在不同风速的情况下，对光脉冲传输的能量衰减进行计算，研究能量衰减对于激光器工作模式及功率等参数的选择具有重要指导价值。

2.通过反射率计算功率衰减

海面功率衰减Q是通过下式计算得出[6]。

4.两种计算海面衰减方法比较

表2对上述两种方法进行了比较。

从上表可以看出，蒙特卡罗方法计算海面衰减数值较功率衰减模型更大，这是因为蒙特卡罗方法考虑了衰减系数、光斑面积及海水透射率等参数，而功率衰减模型只考虑了海面的反射率，光斑面积应是大气、海面和海水三者共同影响的，本文的蒙特卡罗方法中受到大气和海水方面的衰减很小，实际过程中还应当除去大气和海水对光斑带来的影响，所以大气激光对水下接收平台的能量衰减不是简单的相加关系，而应当全面考虑全链路分析能量衰减。

5.结语

本文首先通过反射率直接计算不同风速的能量衰减，其次采用蒙特卡罗方法模拟海面在不同风速情况下的能量衰减。通过这两种方法的统计数据结果可以看出，通过不同参量分析海面对光的衰减，所得到的结果相差较大，在相同的风速下，两者的差值在30dB左右。故在分析大气对水下激光通信时，信道的各个组成部分对全链路会产生的影响是相互联系的，分析大气对水下激光通信不能单一地考虑某个信道参量，而需要联系整个通信链路才能更好地分析能量衰减。

参考文献：

[1]Cochenour B，Mullen L，Muth J.Effect of scattering albedo on attenuation and polarization of light underwater[J].Optics Letters，2010，35（12）：2088-2090.

[2]Hanson F，Lasher M，Effects of underwater turbulence on laser beam propagation and coupling into single-mode optical fiber[J].Applied Optics，2010，49（16）：3224-3230.

[3]Sodnik Z，Furch B，Lutz H.Optical inter-satellite communication[J].IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2010，16（5）：1051-1057.

[4]杜竹峰，黄铁侠，卢益民.激光对潜通信的信号能量传递计算.华中理工大学学报，1997，25（8）：66-68.

[5]詹恩奇，王宏远.光在大气和海水信道中传输的能量衰减计算.武汉大学学报（工学版），2009，42（4）：528-531.

[6]钟晓春，李源慧，激光在海水中的衰减特性[J]，电子科技大学学报，2010，39（4）：574-577.

[7]Alimonte D，Zibordi G，Kajiyama T，Cunha J，Monte Carlo code for high spatial resolution ocean color simulations[J].Applied Optics，2010，49（26）：4936-4950.