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基于随机共振的水下无线光微弱信号检测方法研究摘要：远距离水下无线光通信存在严重的信道衰减问题，传统的微弱信号检测法在抑制噪声的同时，有用信号也会随噪声一同遭到抑制或破坏。然而随机共振理论下，在某些特定的非线性系统中，噪声的存在不但不会降低信噪比，反而会提高信噪比，把噪声的部分能量转化为信号能量，从而达到检测微弱信号的目的。本文分析了水下无线光信道的特性，通过数值分析和仿真实验验证随机共振系统可以显著提高接收机的误码率性能。 关键词：果树防虫网>汽化炉微弱信号；双稳态系统；随机共振；噪声
0引 言
海洋探测和海洋资源开发越来越受到人们的重视，传统的声学通信和射频通信已经无法满足水下高速率长距离传输信息的需求[1]数字电视接收器。最早从1963年开始，由S·Q·Dimtiey和S·A·Sullian等人在研究海洋中水下光波传播的特征时，通过实验得出450～550nm蓝绿光在海水中的衰减要比其他光小得多，表明在水下远距离通信时可以使用蓝绿光作为载波。水下光通信具有以下显著优点：1、数据传输能力强，传输速率最高能达到Gb/s量级，因此可以传输一些对传 输能力要求较高的数据，例如音频和图文；2、光波的方向性好，有比较窄的波束宽度，在传输机密信号时可以避免所传输的信号被侦测到；3、通信质量对海水盐度和温度等的影响具有很好的鲁棒性，具有比较强的抗干扰和保密性高的特点；4、传输所用的光波长较短，所以收发天线的尺寸都比较小，可以使得光通信的设备质量和体积都比较小，便于安装[2]。但是由于水下信道中水分子和悬浮粒子的存在，会使得光信号由于吸收和散射从而衰减严重，使得接收端的光功率较差，进一步导致整个传输系统的信噪比变差和误码率增大，最终限制了水下光通信系统的传输速率和距离[3]。因此，水下微弱信号探测技术是水下光通信系统中的关键技术之一[4]。随机共振是一种通过增加噪声来提高系统传递微弱信号的一种非线性现象。本文拟使用光电探测器实现接收机样机设计，并使用随机共振方法对水下微弱信号进行相应的处理，降低误码率。
u魅1.水下光信道衰减模型
海水是一种复杂的混合介质，溶解了大量的无机盐，又含有大量的非溶解物质，还存活着一些微生物。这些成分的含量随纬度、海洋垂直深度、季节、温度等因素的不同表现出不同的海水成分组成结构，所以在海水信道中表现为不同的衰减情况。海水中含有的物质主
要有悬浮颗粒和可溶解的有机物，其中悬浮颗粒又有有机和无机之分，有机悬浮颗粒就是海洋中的微生命体，存在繁衍和死亡的过程，无机悬浮颗粒主要为矿物微粒，溶解的有机物就是纯海水和黄物质。海水中存在的对光信号传输产生影响的物质可大致分为四种：纯海水、浮游植物（叶绿素）、可溶性有机物（黄物质）和非素悬浮粒子。
当在天然的水中测量时，吸收和散射是很难区分的。除了纯水会吸收一定量的光能量，纯水中含有的颗粒物包括溶解有机物质和浮游植物会吸收更多的能量。同样在海水环境中传输的光束在遇到海水中含有的某些物质时会发生相互作用，使得原本的传输方向发生改变，一般会经过多次方向改变才能到达接收端，这种改变光信号传输路径的过程称为光的散射特性。光的散射过程与自身的波长以及海水中含有的物质有关。所以，海水的总衰减情况为吸收和散射作用。
通过对水下无线光信道的广泛研究，研究人员提出了不同的信道模型来描述水下光衰减的影响。其中，比尔-朗伯吸收定律最简单、应用最广泛，其场景可以描述为：
（1）
其中，为透射光的功率，为接收光的功率，为光的透射距离，为与光波长有关的衰减系数。
远心扫描透镜水下光传播的衰减等于吸收系数和散射系数之和：
（2）
其中，为吸收系数，吸收系数受光波长影响最大，通常蓝光用于水下通信。为散射系数，受悬浮粒子密度的影响，吸收和散射会使光信号的振幅距离呈指数衰减，且引起多径效应，导致码间串扰。
2. 双稳态随机共振系统模型
随机共振(SR)理论是意大利科学家BenZi等人在进行“冰河期”和“间冰期”之间的地球气候变化的研究时提出来的一个理论，可以解释地球古时期寒冷气候和温暖气候为何会交替出现。在这项实验中，他们得到“共振”样式的一条单峰曲线，发现若在输入信号中增加噪声，系统的输出信噪比不但没有减少反而有增加的可能。依照绝热近似理论，研究者们把非线性双稳态体系的输出功率光谱分为两个大的成分。其中一个成分主要是由于输入信号
产生的；另外的一个成分则是由于信号中含有的噪声产生的，该部分具有洛伦兹分布的特点，这里的洛伦兹分布就是指噪声的能量绝大多数聚集在了较低频率的局域。正是因为这一理论，对随机共振系统信号的研究集中在依靠高斯白噪声所产生的随机共振领域，也就是低频领域。
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