近年來，人類海洋活動日益擴大，水下無線傳感器網絡、光/聲學成像探測技術和水下航行器等技術快速發展，迫切需要高數據傳輸速率的水下無線通信技術的支持，以實現觀測數據的傳輸及控制指令的交換。相對于傳統的水聲通信而言，水下光通信的頻帶寬，通信容量大，適于水下大容量數據的傳輸，以及不易受海水溫度和鹽度變化的影響；具有良好的抗干擾能力。此外，激光具有較強的方向性，提高了信息傳輸過程中的安全保密性。因此，水下激光通信日益受到人們的重視。其中，采用蒙特卡洛方法仿真分析光信號在水下介質中的傳輸特性受到了眾多研究學者的青睞，其傳輸特性直接關系到水下無線光通信系統的應用。本文章基于水下光波通信仿真系統對水下光信道進行蒙特卡洛法仿真，對發射器和水下光通信的信道特性進行分析,仿真比較典型的水質類型，發射器的發散角，傳輸距離等因素對接收光強的影響。

此次研究采用六博光電自主開發的可見光/藍綠光仿真系統，該系統使用Matlab程序編寫，可以對可見光/藍綠光在各種介質中進行信號仿真。包括發射端、信道、接收端、編碼調制等端到端進行仿真分析?？梢杂脕韺W術研究、水下光通信系統設計仿真，或者有相關課程的學生和老師用來進行實驗課程。

在該仿真系統中，光線被假設為是光子的集合。仿真過程中通過跟蹤大量光子的傳播途徑來獲取最終統計的結果。我們先將仿真軟件光源設置為激光也就是LD，光源波長設置為520nm，設置激光所的生產光子數量為10000，發射功率為50mW，光源半徑為25mm以及發散半角5°后。通過蒙特卡洛法對激光的高斯光斑進行采樣。可以看見軟件仿真出發射端發出光斑的形狀，光子數量以及光子輻射圖。

圖1：發射端仿真圖

然后我們將發射端發射半角修改至10°時，可以再觀察光斑形狀以及光子輻射圖。光子輻射圖中，光子輻射的范圍變大。

圖2：發射端發射半角設置為10°時仿真圖

將發射端設置完成后再對水下信道進行設置，將設置水質類型設置為海水，散射相位函數為HG，傳輸距離10米。通過設置觀察視窗可以顯示出在不同距離的情況下光功率強度的分布情況。還可以對溫度以及氣泡濃度和鹽度進行設置。設置完成后進行仿真可以得到在該仿真條件下，1米，3米，5米，10米情況下光斑的情況以及光子數量。可以看到在1米處時接收的光子數量為9846，3米處時接收光子數為7289，5米處時接收光子數為6299，10米處時接收光子數為3697。

圖3：水下光信道仿真圖

然后我們將水質類型設置為港口水再次觀察光斑的情況以及光子數量，可以看見將水質設置為港口水時1米處接收光子數下降為了4962，3米處時接收光子數為863，5米處接收光子數為262，10米處時接收光子數僅為24。將界面切換至發射端，可以看到發射端的光子輻射圖在港口水質時衰減嚴重。

圖4：港口水質時信道仿真

圖5：港口水質時發射端仿真圖

綜合仿真結果可知，光子中心輻射強度與發散角呈反比，發散角越小強度越大；光子數量隨傳輸距離延長不斷衰減，且水質越差衰減越快，光功率衰減先急后緩，與實際測試契合。這一系列發現為水下光通信系統優化指明方向，未來有望在海洋觀測、水下航行器通信等領域大顯身手，助力人類更好地探索神秘海洋，解鎖更多海洋深處的未知信息。