紫外光通信大气信道模型研究

光通信中的信道建模与信道容量分析光通信是一项现代通信技术，它采用光作为信号传输介质，其速度快、带宽宽、并且不受电磁干扰的特点使得其在很多应用场景中得到了广泛的应用。

如何对光通信中的信道进行建模和分析，是光通信领域的研究热点之一。

本文将阐述光通信中的信道建模和信道容量分析的相关内容。

一、光通信中的信道建模信道建模是对通信信道的特性进行描述和抽象的过程。

在光通信中，信道包含光纤、空气等传输介质。

光纤是光通信中最常用的传输介质之一。

根据信道的不同特点，光通信中的信道建模可以分为线性模型和非线性模型两种。

在光纤通信中，信道传输会受到各种噪声的影响，包括热噪声、自发噪声等。

为了对光纤通信中的信道进行建模，研究者通常采用线性模型。

线性模型是将光纤通信中的信号当成一个线性系统，其输入输出过程满足线性定理。

基于线性模型，研究者通常采用瑞利衰落模型或高斯白噪声模型进行分析，瑞利衰落模型适用于描述室内环境或者非常短距离的光纤传输，而高斯白噪声模型适用于描述长距离的光纤传输。

基于线性模型的推导，可以得到光强度和相位的三级统计特性，包括均值、方差和自相关函数等。

在某些情况下，非线性模型可能更适合描述光纤通信中的信道特性。

例如在光纤的高功率传输中，非线性效应会给信道带来一定影响。

非线性模型通常可以建立在薛定谔方程的基础上，对于一些常见的非线性效应，例如半波电流调制效应、自相位调制效应等，都可以采用非线性模型进行建模。

二、光通信中的信道容量分析信道容量是指单位时间内，发送端和接收端之间可以传输的有效信息量。

在光通信中，信道容量分析是评估光通信系统传输性能的重要指标。

光通信中信道容量分析的方法包括香农容量计算法和基于信息论的分析方法。

香农容量是指在理想情况下，对于一定的信道带宽和信道传输速率，通信系统可以最大化信息传输速率的极大值。

在光通信中，香农容量可以通过奈奎斯特公式进行计算。

该公式指出，当信道带宽为B，信号的传输速率为R时，理论最大的信息传输率C为2B log2 (1+SNR)。

探析紫外光通信技术原理及应用紫外光通信系统是一种新型的通信手段，与常规的通信系统相比，有很多优势。

由于紫外线主要以散射方式传播，并且传播路径有限，采用紫外光通信系统具有一定的绕过障碍物的能力，非常适用于近距离抗干扰的通信环境。

紫外光通信具有灵活、低窃听、全方位、非视距通信的独特优势，主要应用于短距离的、保密的通信是常规通信的一种重要补充。

紫外光通信是以大气分子和子溶胶粒子的散射和吸收为基础的。

紫外光通信基于两个相互关联的物理现象：一是大气层中的臭氧对波长在200nm到280nm之间的紫外光有强烈的吸收作用，这个区域被叫做日盲区，到达地面的日盲区紫外光辐射在海平面附近几乎衰减为零；另一现象是地球表面的日盲区紫外光被大气强烈散射。

日盲区的存在，为工作在该波段的紫外光通信系统提供了一个良好的通信背景。

紫外光在大气中的散射作用使紫外光的能量传输方向发生改变，这为紫外光通信奠定了通信基础，但吸收作用带来的衰减使紫外光的传输限定在一定的距离内。

因此紫外光通信是基于大气散射和吸收的无线光通信技术。

选择紫外“日盲”波段光波进行传输信号时，信号在传输过程中很少受到大气背景噪声干扰。

由于紫外辐射在大气中由瑞利散射所造成的光能损失是红外线的1000倍以上，使得工作于紫外波段的系统与红外系统相比具有很大的不同。

它是信息传输实现非视距工作方式的基础，同时也克服了其他自由空间信息传输系统在视距方式工作时的弱点。

与常规通信方式相比，紫外光通信有其特有的优势：1、高保密的数据传输性和强抗干扰能力；紫外光通信主要基于大气对紫外光的散射和吸收作用。

紫外光信号在大气传输过程中会呈现指数倍的衰减，传输距离一般不超过10公里，信号难以监听和截获。

另外，紫外光通信系统的辐射功率可根据通信距离减至最小，无线电设备很难对其进行干扰和精确定位。

2、可用于非直视通讯；紫外光在大气传输过程中会发生散射现象，散射特性可以使紫外。

基于高度的紫外光NLOS单次散射链路模型的研究何华;柯熙政;赵太飞【摘要】为了更精确、更全面地研究紫外光的通信性能,使之更适合于实际空间中的3维应用,在2维紫外光单次散射链路模型的基础上融入高度信息,并利用仿真计算了在添加高度信息与否的两种情况下接收功率误差的大小.结果表明,高度对于发射仰角和接收仰角潜在的影响直接引起接收功率的改变,甚至在某些情况下不能进行通信.高度信息的考虑对通信设备在实际空间中的应用给予了正确的指导.%In order to study the ultraviolet communication characteristics accurately and comprehensively so that it can be adopted in actual 3-D space application, with the height information synthesized in the single scattering link model, the error was computed with the height information or not.The result shows that potential interference of height on the transmitting angle and receiving angle will lead to receiving power changes, even lead to communication failure under some circumstances.Thus, it provides a good guideline to real application of the ultraviolet communication settings.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2011(035)004【总页数】4页(P495-498)【关键词】光通信;紫外光通信;单次散射;高度;非视距【作者】何华;柯熙政;赵太飞【作者单位】西安理工大学,自动化与信息工程学院,西安,710048;西安理工大学,自动化与信息工程学院,西安,710048;西安理工大学,自动化与信息工程学院,西安,710048【正文语种】中文【中图分类】TN929.12引言无线光通信利用波长范围从红外光、可见光到紫外光范围内的光波进行信息传输。

光通信系统中的光纤信道建模研究在现代通信技术中，光通信系统已经成为了主流的通信方式，它使用光纤传输大量的数据，保证了数据传输的速度和稳定性。

在光通信系统中，光纤信道承担了很重要的作用，良好的光纤信道设计可以有效地提高信号的传输速度和传输质量，因此，光纤信道建模成为了光通信系统中的重要研究领域。

1、光纤信号传输原理简介在光通信系统中，LED或者激光器将电信号转换成光信号，通过光纤进行传输，接收端的探测器可以将光信号转换成电信号，实现数据的解码和处理。

对于光纤信道，数据的传输速度和传输质量主要受到以下几个因素的影响：传输距离，传输距离越远，光信号在光纤中的衰减就越大，数据的传输速度和传输质量都会受到影响。

传输带宽，光信号在光纤中的传输带宽是有限的，为了提高传输速度和传输质量，可以增加传输带宽，但是这也会增加传输成本。

光纤的损耗，包括衰减和非线性损耗。

衰减是光功率在光纤中传播过程中不断削弱的过程，非线性损耗则是由于光信号传播到一定距离后，光的强度大幅度下降，失去了传输质量。

为了对光纤信道进行研究，需要对光纤信号传输进行建模。

一般采用的数学方法有以下几种：基于非线性薛定谔方程的模型，这是一种对光纤信号传输和光信号变形的一种经典模型，可以反映出光纤传输中的各种非线性效应。

基于传输矩阵和多端口S矩阵的数学建模方法，这种方法主要用于描述多核光纤、多模光纤和微纤光纤的光学特性。

基于蒙特卡罗方法的模型，这种方法可以使用数值仿真的方式得到光纤中的各种参数，例如光纤的损耗和传输质量等。

3、影响光纤信道的主要因素光纤信道受到的影响有很多，一般来说涉及以下几方面的因素：光纤材料的特性，不同材料的光学特性不同，光在其中传输的速度也不同，这就影响了信号的传输速度和传输质量。

光信号在传输过程中会出现各种失真，例如群时延失真、色散失真、非线性失真等，在传输过程中，这些失真会逐渐累积，导致传输过程中信号质量的下降。

光纤的损耗是影响光纤信道传输质量的常见问题，每种光纤的损耗都是不同的，不同传输长度会造成光纤纤芯的不同损耗。

紫外光通信特点和信道模型的介绍及紫外光通信系统的设计与实现紫外光波长10~400nm,是光谱中波长最短部分，主要由太阳辐射出来，又称紫外线，紫外光传输性能与传输范围内大气的品质密切相关，如大气中的O3浓度、散射粒子的浓度、大小、均匀性、几何尺寸等。

研究大气中分子和粒子的散射时主要考虑Rayleigh 散射和Mie散射。

与此同时，紫外光的传播方式以散射为主，虽然传输过程中衰减严重，但可绕过一定障碍物，这两点决定了紫外光通信系统可以实现全天候的非视距通信（Non Line Of Sight,NLOS）。

随着国内日盲段紫外LED生产线的投产，紫外光通信的实现将更具可行性。

1 研究背景紫外光作为通信手段被提出最早在上个世纪初，当时美国军方提出用于海军海上通信。

国内近两年在此领域研究的也有一些，其中国防科技大学在2007年研究了一款直升机紫外光通信系统，在这项研究中是国内首次使用日盲段LED点阵作为光源，并在样机上实现通信；重庆大学光电研究试验室在2006年也完成了基于紫外光的语音系统设计与实施，该系统在反映灵敏度及抗干扰方面都有着不错的表现。

与此同时，在业界领先的美国加州大学Center for UbiquitousCommunication by Light实验室，在2007年实现了在使用光功率为0.5mW的10个24单元阵列LED为紫外光光源，00K调制方式下紫外光通信的数据传输速率达到了如表1所示，包括视距通信（Line Of Sight,LOS）和非视距通信两种方式。

表1 不同距离，误码率下紫外光视距和非视距通信的数据传输速率2 大气散射信道由于紫外光是在大气中进行无线传输，大气信道的质量直接关系到通信质量，传输距离等重要通信指标。

当散射粒子的直径远小于波长时就发生Rayleigh散射，大气分子对紫外光的散射就用Rayleigh散射理论来处理，但是只有在晴朗天气（能见度Rv≥20 km）中Rayleigh散射才是主要的。

紫外光通信技术的应用美国GTE公司为美军研制了一种新型隐蔽式紫外光通信系统。

这种系统不易被探测和截收，适用于多种近距离抗干扰通信环境，尤其适用于特别行动和低裂度冲突，是满足战术通信要求的理想手段。

工程技术人员在工程中对紫外光指挥、控制和通信进行的试验表明，话音和数据性能很好，而且不受远方电子干扰的影响。

同时，由于紫外光通信的作用距离受限于大气层，这使得对手即使在当地也很难截收紫外光通信信号。

紫外光传输的优点之一是系统的辐射功率可根据通信距离要求而减至最小，常规无线电设备不能探测或干扰采用紫外光技术的远方台站的通信。

因为紫外光散射在大气层中，故可用于1～2km的非视距通信，如果采用聚光方式，定向视距通信距离可达5～10km。

1.设备和技米规范紫外光通信系统的主要部件有灯，滤光器和遮太阳光检测器。

紫外光系统除了光源和探测器外，其他全部采用现在通信系统中普遍采用的电子和机械部件，这些都是已经成熟的技术，可以组装成简单而又坚固的小型化系统，供机载、陆地和水面舰船通信用。

紫外光源是一只低压汞气稀有气体放电灯，它把20％的电能转换成253.6mm的辐射光。

这种灯是现实制灯工业的标准灯，可以制成不同大小和形状，以满足多种规格的要求。

灯中还可适当设置反光镜，以增强光源亮度实现对某个位置的定向辐射。

如果把一只管灯做成环状，环中央有一个反射面，大部分能量就会辐射到很宽的范围。

如果把它安装在直升机顶上，它就可以起紫外光发射机的作用。

通信系统的电子电路把话音或数字数据信号转换成曼彻斯特自同步脉冲数据编码流。

这种数据脉冲触发灯激励器使灯闪亮，传话音时闪亮速度平均为20kHz，传送数字则低些。

紫外光系统用一个遮太阳光光电倍增管作光探测器。

用一个250～270nm带通滤光器屏蔽光探测器，使其免受波长大于270nm的太阳残余辐射的影响。

在近距离通信中，遮太阳光光电倍增管和滤光器可以直接使用。

远程通信时需要将光电倍增管装在聚光镜中，以增强控制器的灵敏度。

大气辐射传输模型的比较研究大气辐射传输模型在气候研究、空气质量预报、太阳能利用等领域具有广泛的应用。

随着科技进步，越来越多的大气辐射传输模型被开发出来，为了更好地选择和应用适合不同领域的模型，本文旨在比较研究各种大气辐射传输模型的性能和优缺点，并讨论其应用场景。

大气辐射传输模型是对大气中辐射传输过程的数学描述，主要考虑太阳辐射、长波辐射、短波辐射等过程。

本文选取了代表性的四种模型：CAMCommunity Radiative Transfer Model（CRTM）、Discrete Ordinate Method（DOM）和RADART。

通过对比这四种模型的算法、计算效率、可扩展性和可定制性等方面的性能，发现CAM3模型在计算效率和可扩展性方面表现较好，但需要定制化参数较多；CRTM模型具有较高的计算精度，但计算效率较低；DOM模型在处理复杂地形和建筑物遮挡方面有优势，但需要较高的计算资源；RADART模型在长波辐射传输计算方面精度较高，但短波辐射计算尚不完善。

在比较研究中发现，不同模型各有优缺点，适用于不同的应用场景。

为了进一步提高模型的适用性和精度，需要重点以下几个方面：参数定制：多数模型在参数定制方面表现不佳，需要根据具体应用场景定制参数，提高模型的适应性。

计算效率：在保证精度的同时，提高模型的计算效率是必要的。

可以通过优化算法、使用并行计算等方法提高计算效率。

可扩展性和可定制性：为了满足不同领域的需求，模型应具备良好的可扩展性和可定制性。

这有助于用户根据实际需求进行二次开发，扩展模型的应用范围。

数据输入质量：模型输入数据的质量对计算结果影响较大。

应开发完善的数据预处理模块，对输入数据进行有效性和准确性校验，以保证模型计算结果的可靠性。

适应性气候变化：随着气候变化，模型的参数和算法应能够适应变化，以便准确预测未来气候变化趋势。

大气辐射传输模型的比较研究在实际应用中具有重要意义。

在气候研究领域，准确预测气候变化趋势需要对辐射传输过程有深入理解，选择合适的大气辐射传输模型对气候预测结果的准确性至关重要。

大气辐射传输模型研究与应用大气辐射传输模型是大气科学领域的一项重要研究内容。

它通过对大气中辐射传输过程的建模与模拟，可以预测大气中热能的传递与辐射的分布情况，对气候变化、空气质量评估、太阳能利用等领域具有重要意义。

本文将从大气辐射传输模型的研究和应用两个方面进行论述。

一、大气辐射传输模型研究大气辐射传输模型的研究始于20世纪80年代，由于气候变化和环境问题的日益突出，该领域的研究也得到了广泛关注。

大气辐射传输模型的研究主要包括以下几个方面。

首先是辐射传输过程的理论模型构建。

辐射传输过程涉及到长波辐射和短波辐射两个方面，理论模型的构建需要考虑大气中的温度、湿度、气溶胶等因素对辐射传输的影响。

近年来，随着机器学习和深度学习方法的兴起，研究者们也开始探索将这些方法应用于建立辐射传输模型中，以提高模型的准确性和可靠性。

其次是模型参数的获取和确定。

大气辐射传输模型中的参数包括大气沉降物含量、气溶胶光学性质等，这些参数的获取是模型研究的关键。

目前，研究者们利用遥感技术和大气探测装置等手段，可以有效获取到这些参数，从而提高模型的可靠性和适用性。

此外，模型的验证和优化也是大气辐射传输模型研究中的重要内容。

模型的验证需要与实测数据进行对比，通过比较模拟结果和实际数据的差异来评估模型的准确性。

优化模型则是通过调整模型的参数和算法，使模拟结果更加贴近真实情况。

这些工作需要研究者们进行大量的实验和数据分析，以提高模型的可靠性和适用性。

二、大气辐射传输模型的应用大气辐射传输模型的应用非常广泛，主要涉及到气候变化、空气质量评估以及太阳能利用等领域。

在气候变化研究中，大气辐射传输模型可以用来模拟和预测大气中的热能传递过程，从而揭示气候系统的变化规律。

例如，模型可以用来分析温室气体的增加对地球能量平衡的影响，进而预测气候变暖的趋势和影响。

此外，模型还可以用来评估不同气候因素对辐射传输的影响，为气候适应和调控提供依据。

在空气质量评估中，大气辐射传输模型可以用来模拟和预测大气中的污染物传输过程，从而评估污染物的浓度分布和扩散情况。

大气辐射传输模型研究大气辐射传输模型研究是一项重要的气象科学研究领域，它对于理解地球上的能量变化、气候变化以及对环境影响的评估具有重要意义。

辐射传输模型是描述大气辐射过程的数学模型，通过模拟地球表面和大气层之间的辐射传输，可以揭示辐射的分布和变化规律。

在大气辐射传输模型研究中，我们通常需要考虑不同波长范围内的辐射。

太阳辐射是一种主要的辐射源，它是地球上大气和表面能量平衡的重要因素。

太阳辐射可以分为可见光、红外线和紫外线等不同波段。

可见光是人眼可见的光线，它是主要的能量来源之一，对地面生物、气候和环境变化有重要影响。

红外线是太阳辐射的一部分，它的能量更低，可以直接被地球表面吸收，从而引起大气和地面的加热。

大气辐射传输模型研究的核心是解决辐射传输方程。

辐射传输方程描述了辐射在大气中的衰减、散射和吸收等过程。

辐射传输方程是一个复杂的微分方程，需要考虑大气的各种光学特性、气溶胶的影响以及各种辐射过程的相互作用。

传统的辐射传输模型主要基于统计物理学理论和经验公式，以简化解决方案为核心，如Lambert-Beer定律和理论散射。

然而，近年来，随着计算机技术的发展和观测数据的不断积累，基于计算力和数据驱动的辐射传输模型也得到了广泛关注。

这种新型模型可以通过观测数据进行参数化，利用机器学习等方法来快速计算和预测大气辐射传输。

这些模型可以更准确地描述复杂的大气环境和辐射过程，提高气象预报和气候模拟的精度。

除了传统的大气辐射传输模型研究，近年来还涌现了一些新的研究方向。

例如，基于云和气溶胶等大气成分的辐射传输模型研究，可以揭示云和气溶胶对辐射传输的重要影响。

云和气溶胶对辐射的散射和吸收作用，不仅影响着大气和地面的能量平衡，还与气候变化、大气污染和生物圈等之间存在复杂的相互作用。

此外，大气辐射传输模型研究在太阳辐射利用和空间遥感领域也有广泛应用。

太阳能利用是一种重要的清洁能源，通过建立准确的辐射传输模型，可以预测太阳辐射的分布和变化，为太阳能发电和太阳能热利用等方面提供技术支持。