激光对潜通信中激光光源的仿真设计(附件)【字数：13090】
摘 要摘 要 水下激光通信这些年来一直处于研究的热门领域。水下激光通信拥有着电磁波无法比拟的优点，例如穿透性强，抗干扰性强，传输方向性好等优点。研究出激光在水下进行通信的最佳的的光源仿真，也就是寻找到最适合水下激光通信的波长。这对于激光在水下通信的发展具有非常重要的意义，例如军事上的潜艇通信等。本文首先介绍了一下本论文的研究背景、意义和国内外的研究现状。然后对大气通信信道做了比较简单的叙述， 再着重介绍了水下通信信道和它所会受到的影响，并做了对比分析。接着详细介绍了影响激光衰减的主要因素纯水、非色素悬浮颗粒、黄色物质和浮游植物。通过查阅文献资料和对数据的拟合，得到了海水中的这几种物质对激光的衰减系数和计算公式。通过matlab软件仿真得到了这几种物质对激光的影响的衰减波形图，并且进行了激光在单独某一因素影响下，不同的传输距离下不同波长的激光衰减波形图。通过仿真波形可以看出，当激光的波长在波段400到550nm时，海水物质的对激光的衰减影响是比较小的，这也是本课题得出的最适合做为激光光源的波长范围。本课题的研究结论的得出对水下探索，深海作业以及军事上的潜艇通信技术的更新换代有一定的促进意义。关键词水下激光通信；海水的组分；吸收和散射；激光衰减；
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 水下激光通信的国内外发展现状 2
1.2.1国内研究现状 2
1.2.2国外研究现状 3
1.3本文研究的主要内容 3
1.4 本章小结 4
第二章 激光通信海水信道 5
2.1水下激光通信信道 5
2.1.1 海水吸收 5
2.1.2 海水的散射 5
2.1.3 水空界面反射与散射 6
2.1.4 海水的扰动 6
2.1.5 海水的热晕效应 6
2.1.6 海水的多径散射 6
2.2 海水的成分 7
2.2.1 纯水 7
2.2.2 海水中的黄色有机物质 7
2.2.3 海水中的浮游植物 8
2.2.4 海水中的其它物质 8
2.3本章小结 9< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
br /> 第三章 海水组分对激光传输的影响 10
4.1 激光在纯水中的衰减 10
4.2 黄色有机物质对激光的衰减影响 14
4.3 非色素悬浮颗粒的对激光的衰减影响 16
4.4 浮游植物对激光的衰减影响 21
4.5 激光在水中总的衰减 25
4.6 本章小结 28
结 论 29
致 谢 31
参考文献 32
绪论
电磁波通信是水下通信的传统和非常普遍的手段，但是电磁波的衰减受海水的影响非常严重，所以电磁波在水中很难进行令人满意的通信。自第一台激光器诞生以来，科学家们就发现激光光束的穿透性强，抗干扰性强，传输方向性好的光学特征在海水传播中得到了完美的体现，于是就有了水下激光通信的提出。到了现在，水下激光通信技术已经成了国际上为之关注的的领域，对激光通信中各种技术的研究也如雨后春笋一般浮出水面[1]。基于现在的国内外的研究成果的认知，激光受到海水的影响主要是在海水对其的吸收和散射两个方面。其中研究海水对激光的吸收更是所有工作的基础。研究好这项工作对于对潜通信的发展具有深刻而深远的意义。
1.1 研究背景及意义
海洋覆盖的面积足足有全球总面积的三分之二，这是我们未曾全部了解但是需要了解的最重要的领域之一。海洋包含着无尽的神秘，也包含了数量庞大的资源，在商业和渔业中以及军事领域中都有举足轻重的作用。有人的地方就有交流，海洋资源的开发和利用更是离不开信息的交流，故海水通信至关重要。在水中，各类的波中在水下衰减最小的是纵波也就是俗称的声波，所以声呐技术在水下通信中已经被广泛的应用。但是对电磁波来说，它是良导体，海水具有趋肤效应，这将严重影响横波在海水中的传播，这也使得电磁波在海水中很难有其用武之地。电磁波在导体中的传播距离和其波长成正相关性的关系，波长越短穿透深度越小，反而言之波的长度越长穿透深度久越大。因此，大功率的长电磁波通信一直是海水通信的最常用的选择。但是80m已经是其极限，而且超低频系统非常的昂贵难以普及到方方面面，信息传输速度极低[2]，再取得好的成果已是极难。上世纪中末的时候，随着激光研究不断地深入，水下激光通信技术开始进入了人们的注视焦点。遥感技术等水下激光通信技术已经进入实际应用之中。这些技术的成功应用可以帮助我们更加的了解海洋的奥秘。此外，水下激光通信技术在军事上战略上是威慑级别的，并且对建立海底的传感器网络中也具有无法比拟的优势。现在信息的在社会上的地位愈发凸显，而且激光在水下通信方面，已经显示出了其独一无二的优势，这势必会继续加速这项新技术的发展。
伴着时代的步伐, 激光通信技术亦是大步前进，通信能力极大的增强。有数据表明，蓝绿激光在海水中传播损耗较低，其波长大约是在400600nm的波段，当水质较好时，其衰减会很低，这也被人们称为海水通信的“蓝绿窗口”。在这种“蓝绿窗口”下，能够提供高出1Gbit/s的高数量级的数据传输率[3]。其超高的传输速率是水下激光通信的优势之一。不但如此，激光光束还具有的方向性好，方向受干扰的因素少，且影响小，这也是声波所没有的优点。而且高分辨率的激光光束特性甚至能够显示出海底的影像，并可以详细地观察分析海底地形以及土壤的性质。甚至可以与地面通信相差无别。如果在这种背景下，利用激光技术将会引发一场的水下水深测量技术的巨大变革。若采用蓝绿激光水下通信，将会使水下通信做到更快速、更实时、更可靠以及更保密将会成为我国潜艇发展的一个里程碑。作为我国在未来的海中作战的最有力的保障，蓝绿激光水下通信系统的研究有巨大的意义也是不可阻挡的潮流。
但是，水具有吸收和散射光波的作用，光波进入后会在传输过程中衰减，并且一部分会被水散射掉,能到达海底的只有一小部分[4]，同时由于水底反射的作用也被损耗掉了一部分。同时如果水体的悬浮物浓度很高，激光就有可能无法到达水底而被损耗掉。对近海的海域内来说，浅水浪大，人类活动明显，水质较差，并且时有海底的泥沙被卷起，水质较为浑浊；而且在所研究的海域范围内属于潮流通道之中水的流速快力量大,反复冲击边坡地带的海底，使泥沙翻涌不休，含沙量较高；在海边的区域,水流作用于海底泥沙的影响愈大，这会使得海里的比较松散的沉积物不断地朝着岸边积累[38],岸边沉积物丰富比远海内侧丰富很多,使得水体垂线上浮动的泥沙等杂物的平均含量比起平均值来要高很多。海域之中，海水中沙子的含量受所处海域的影响近海含沙量高，反之远海含沙量低。在近海中，地形简单的海域，含沙量较低,反之则高[4]。激光在海水传输过程中的衰减程度是决定激光是否能达到水底的关键，光在海水水体中衰减的水平我们一般用衰减系数来表示。相较于西方发达国家，我国对激光水下通信系统的研究起步晚，目前整体上还处于落后状态，在关键技术上的差距更是明显，但是我国研究现状是后劲十足，大批的研究者纷纷投身于其中。故研究海水对激光的衰减是发展水下光通信技术的起楼之基。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 水下激光通信的国内外发展现状 2
1.2.1国内研究现状 2
1.2.2国外研究现状 3
1.3本文研究的主要内容 3
1.4 本章小结 4
第二章 激光通信海水信道 5
2.1水下激光通信信道 5
2.1.1 海水吸收 5
2.1.2 海水的散射 5
2.1.3 水空界面反射与散射 6
2.1.4 海水的扰动 6
2.1.5 海水的热晕效应 6
2.1.6 海水的多径散射 6
2.2 海水的成分 7
2.2.1 纯水 7
2.2.2 海水中的黄色有机物质 7
2.2.3 海水中的浮游植物 8
2.2.4 海水中的其它物质 8
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br /> 第三章 海水组分对激光传输的影响 10
4.1 激光在纯水中的衰减 10
4.2 黄色有机物质对激光的衰减影响 14
4.3 非色素悬浮颗粒的对激光的衰减影响 16
4.4 浮游植物对激光的衰减影响 21
4.5 激光在水中总的衰减 25
4.6 本章小结 28
结 论 29
致 谢 31
参考文献 32
绪论
电磁波通信是水下通信的传统和非常普遍的手段，但是电磁波的衰减受海水的影响非常严重，所以电磁波在水中很难进行令人满意的通信。自第一台激光器诞生以来，科学家们就发现激光光束的穿透性强，抗干扰性强，传输方向性好的光学特征在海水传播中得到了完美的体现，于是就有了水下激光通信的提出。到了现在，水下激光通信技术已经成了国际上为之关注的的领域，对激光通信中各种技术的研究也如雨后春笋一般浮出水面[1]。基于现在的国内外的研究成果的认知，激光受到海水的影响主要是在海水对其的吸收和散射两个方面。其中研究海水对激光的吸收更是所有工作的基础。研究好这项工作对于对潜通信的发展具有深刻而深远的意义。
1.1 研究背景及意义
海洋覆盖的面积足足有全球总面积的三分之二，这是我们未曾全部了解但是需要了解的最重要的领域之一。海洋包含着无尽的神秘，也包含了数量庞大的资源，在商业和渔业中以及军事领域中都有举足轻重的作用。有人的地方就有交流，海洋资源的开发和利用更是离不开信息的交流，故海水通信至关重要。在水中，各类的波中在水下衰减最小的是纵波也就是俗称的声波，所以声呐技术在水下通信中已经被广泛的应用。但是对电磁波来说，它是良导体，海水具有趋肤效应，这将严重影响横波在海水中的传播，这也使得电磁波在海水中很难有其用武之地。电磁波在导体中的传播距离和其波长成正相关性的关系，波长越短穿透深度越小，反而言之波的长度越长穿透深度久越大。因此，大功率的长电磁波通信一直是海水通信的最常用的选择。但是80m已经是其极限，而且超低频系统非常的昂贵难以普及到方方面面，信息传输速度极低[2]，再取得好的成果已是极难。上世纪中末的时候，随着激光研究不断地深入，水下激光通信技术开始进入了人们的注视焦点。遥感技术等水下激光通信技术已经进入实际应用之中。这些技术的成功应用可以帮助我们更加的了解海洋的奥秘。此外，水下激光通信技术在军事上战略上是威慑级别的，并且对建立海底的传感器网络中也具有无法比拟的优势。现在信息的在社会上的地位愈发凸显，而且激光在水下通信方面，已经显示出了其独一无二的优势，这势必会继续加速这项新技术的发展。
伴着时代的步伐, 激光通信技术亦是大步前进，通信能力极大的增强。有数据表明，蓝绿激光在海水中传播损耗较低，其波长大约是在400600nm的波段，当水质较好时，其衰减会很低，这也被人们称为海水通信的“蓝绿窗口”。在这种“蓝绿窗口”下，能够提供高出1Gbit/s的高数量级的数据传输率[3]。其超高的传输速率是水下激光通信的优势之一。不但如此，激光光束还具有的方向性好，方向受干扰的因素少，且影响小，这也是声波所没有的优点。而且高分辨率的激光光束特性甚至能够显示出海底的影像，并可以详细地观察分析海底地形以及土壤的性质。甚至可以与地面通信相差无别。如果在这种背景下，利用激光技术将会引发一场的水下水深测量技术的巨大变革。若采用蓝绿激光水下通信，将会使水下通信做到更快速、更实时、更可靠以及更保密将会成为我国潜艇发展的一个里程碑。作为我国在未来的海中作战的最有力的保障，蓝绿激光水下通信系统的研究有巨大的意义也是不可阻挡的潮流。
但是，水具有吸收和散射光波的作用，光波进入后会在传输过程中衰减，并且一部分会被水散射掉,能到达海底的只有一小部分[4]，同时由于水底反射的作用也被损耗掉了一部分。同时如果水体的悬浮物浓度很高，激光就有可能无法到达水底而被损耗掉。对近海的海域内来说，浅水浪大，人类活动明显，水质较差，并且时有海底的泥沙被卷起，水质较为浑浊；而且在所研究的海域范围内属于潮流通道之中水的流速快力量大,反复冲击边坡地带的海底，使泥沙翻涌不休，含沙量较高；在海边的区域,水流作用于海底泥沙的影响愈大，这会使得海里的比较松散的沉积物不断地朝着岸边积累[38],岸边沉积物丰富比远海内侧丰富很多,使得水体垂线上浮动的泥沙等杂物的平均含量比起平均值来要高很多。海域之中，海水中沙子的含量受所处海域的影响近海含沙量高，反之远海含沙量低。在近海中，地形简单的海域，含沙量较低,反之则高[4]。激光在海水传输过程中的衰减程度是决定激光是否能达到水底的关键，光在海水水体中衰减的水平我们一般用衰减系数来表示。相较于西方发达国家，我国对激光水下通信系统的研究起步晚，目前整体上还处于落后状态，在关键技术上的差距更是明显，但是我国研究现状是后劲十足，大批的研究者纷纷投身于其中。故研究海水对激光的衰减是发展水下光通信技术的起楼之基。
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