非直视紫外光通信单次散射传输模型研究_唐义
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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。
基于遍历微小单元法非直视非共面紫外光通信信道容量分析宋鹏;苏彩霞;赵太飞;陈锦妮;朱磊;张晓丹【摘要】信道容量反映了系统无差错传输信息的能力.基于遍历微小单元法求出系统的路径损耗和脉冲响应,然后对脉冲响应采样序列进行离散傅里叶变换,得到系统的频率响应,计算出系统的3 dB带宽.考虑信号光引起的散粒噪声,根据量子极限法求出系统的信噪比,进而用香农公式仿真分析非直视非共面紫外光通信系统信道容量和收发端几何参数之间的关系.结果表明,信道容量随着接收端偏轴角和通信距离的增大而减小,当收发仰角小于40°时,随着收发仰角增大,信道容量快速减小,并且发射端仰角对信道容量的影响更显著;当发散角增大时,系统信道容量几乎不变;而当视场角增大时,系统信道容量增大.【期刊名称】《通信学报》【年(卷),期】2019(040)005【总页数】9页(P144-152)【关键词】光通信;紫外光散射;非直视;遍历微小单元方法;信道容量【作者】宋鹏;苏彩霞;赵太飞;陈锦妮;朱磊;张晓丹【作者单位】西安工程大学电子信息学院,陕西西安 710048;西安工程大学电子信息学院,陕西西安 710048;西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西西安710048;西安工程大学电子信息学院,陕西西安 710048;西安工程大学电子信息学院,陕西西安 710048;西安工程大学电子信息学院,陕西西安 710048【正文语种】中文【中图分类】TN929.121 引言非直视紫外光(UV, ultraviolet)通信是通过200~280 nm“日盲”波段紫外光在大气中的散射来进行信息传输的一种新型无线光通信方式[1-3]。
与传统的通信方式相比,紫外光通信具有保密性好、抗干扰能力强、全方位性、非直视通信[4]等优点,可应用于近距离保密通信,尤其适用于“电磁静默”条件下的装甲集群或舰船间的无线保密通信,在国防信息化建设中具有广阔的应用前景。
建立紫外光通信系统的信道传输模型是研究信道容量的基础。
多次散射情况下非视线光传输的模拟何新;贾红辉;常胜利;尹红伟;杨俊才【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2009(017)002【摘要】基于蒙特卡罗方法,对两种典型的接收与发射无公共视场的情况进行了仿真模拟,解决了单次散射近似不适用的传输问题.对于1 W的光源,大气吸收系数ka=1.2 km-1、散射系数ks=1.5 km-1时,对于收发器背向情况,信号能量在距离为50 m处约为0.27 nW,其随距离增大呈指数衰减;对于接收视场受限情况,200 m远处信号能量约0.23 nW,并随距离增大迅速增强.实验测试结果验证了模拟结果的正确性,表明该方法适用于较复杂地形条件,为发射和接收无公共散射体情况下的光传输提供了一种理论模拟方法.【总页数】5页(P246-250)【作者】何新;贾红辉;常胜利;尹红伟;杨俊才【作者单位】国防科技大学,理学院,湖南,长沙,410073;国防科技大学,理学院,湖南,长沙,410073;国防科技大学,理学院,湖南,长沙,410073;国防科技大学,理学院,湖南,长沙,410073;国防科技大学,理学院,湖南,长沙,410073【正文语种】中文【中图分类】O43;TN929.12【相关文献】1.单次散射近似研究非视线光传输中的误差 [J], 贾红辉;常胜利;杨建坤;兰勇;邵铮铮;季家殚2.基于非视线红外激光大气散射通信技术研究 [J], 刘兵;王巨胜;杨泽后;李晓锋;樊冬;任鹏;李斌;罗雄;冯力天3.大气光通讯中基于蒙特卡罗方法非视线光传输模型 [J], 贾红辉;常胜利;兰勇;杨建坤;邵铮铮;季家4.非视线光传输的模拟与实验比较 [J], 贾红辉;常胜利;杨建坤;兰勇;张海良5.影响非视线紫外光传输距离的诸因素分析 [J], 尹红伟;常胜利;贾红辉;杨建坤;邵铮铮;杨俊才因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
第35卷,增刊红外与激光工程2006年l o月V b l.35Suppl锄饥t I n行a旭d and Las er E ngi n∞r i ng O ct.2006非视线光传输模型的研究状况邵铮铮,张里荃,常胜利(国防科技大学理学院,湖南长沙4l0073)摘要:对非视线光传输模型进行了综合评述.简单介绍了视距情况下的大气辐射传输模型Lo叭豫n、M odt r an和Fasc ode,阐述了非视线光传输的单次散射模型:蒙特卡罗法、离散坐标法的原理、方法,。
分别编写相应程序并进行对比,结果表明:单次散射模型的解析解形式简单、操作方便且计算速度快.,但对条件要求较苛刻,与实际误差较大;M ont e carl o模型真实地模拟光子在散射介质中的传输行为,但它的运算量较大且收敛速度慢,使用指向概率法改进后的模型在运算速度和收敛性方面都显著提高;离散坐标法在处理有散射的辐射传输以及复杂边界的问题具有一定的优势,对该模型进行初步探索,发现模拟大范围辐射传输时对计算机内存要求很高.关键词:非视线;光散射;传输模型;研究状况中图分类号:T N929.1文献标识码:A文章编号:1007.2276(2006)增A.0495.06st udy of t he N L oS opt i cal pr opa gat i on m odel sSH A O Z heng办e ng,ZH A N G L i-qu觚,C H A N G She ng—l i(S ch∞I ofSc ic n∞,N a li on a l uni vc培时of D cf e船e TechnoJ啊,cl l锄gsl,a410073,Chi舱)A bst r act:111e st I l dy st at us of N L O S pr o pagat i on m odel i s r eV i ew ed.111e l i ne of si gll t at m ospher e ra di at i on 仃锄s m i s si on m odel s ar e i11仃oduce d si IIl pl y,such as Lo、vt r an,M od仃an a11d FaScod e.T he N L o Sopt i ca l pr o pagat i on m odel s i nc l ude Si I l gl e—Sca t t er m odel,M ont e-Car l o m et hod aI l d D i s c re t e O r di I l a t e s m et hod.T_l l e pr i nci pl e锄d m et hod of t be se m odel s ar e fo册u】at ed,and廿】e col l r es pondj ng pr og r am s ar e edi t ed aI】d com p ar ed.T he r es uJt s ho w s tl la t t he S i I l gl e—S ca ne r m od el has s i m pl e sol ut i on i n f o胁,conveni ence ope r at i on and r api d ca l cul a t i on,but i t h舔l a唱e e11r o r and m us t haV e exac t m g t e nl l s.T he M ont e—C ar l o m e t hod t m l y s i m ul a t es m e phot on订a ns m i s s i on i n t lle sc at t e r i ng s ubs t a nce,but i t h硒m a ss ca l cul at i on aI l d s l ow conV e玛ence.T he ca l c ul at i on s peed and conve唱enc e ar e all obV i ousl y i m pr oV ed by use of Pom t i l l g Probabi l i妙m eⅡl od.D i s cr et e O r d i nat es m et l l od h嬲dom i na nc e i n h觚dl i ngsc at t er i ng ra di at i on t啪sm i ssi on andc om p】ex boundaⅨA盘e r pr j m a拶r es ear ch,i t’s f ound t h at l a唱e m锄。
“日盲”紫外光定向发送与定向接收的非直视通信覆盖范围研
究
邵平;李晓毅;杨娟;肖文林
【期刊名称】《重庆理工大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2013(027)007
【摘要】针对紫外光定向发送与定向接收的非直视(C类NLOS)通信,基于椭球坐标系,建立了通信模型,推导了通信覆盖范围的计算公式,并进行了数值分析.结果表明:紫外光接收视场角越大或收发端传输距离越长,通信节点的覆盖范围越广.
【总页数】5页(P56-60)
【作者】邵平;李晓毅;杨娟;肖文林
【作者单位】重庆通信学院,重庆400035;重庆通信学院,重庆400035;重庆通信学院,重庆400035;重庆通信学院,重庆400035
【正文语种】中文
【中图分类】TN92
【相关文献】
1.“日盲”紫外光定向发送与定向接收的非直视通信覆盖范围研究 [J], 邵平;李晓毅;杨娟;肖文林;
2.近地层直视与非直视紫外光通信系统关键技术研究 [J], 吕照顺;吴晗平;梁宝雯;袁璐
3.适用于紫外光非直视通信网络的定向MAC协议研究 [J], 邵平;李晓毅;张婵;朱琳
琳
4.移动Ad Hoc网络中定向发送与接收算法的改进 [J], 张筠;李颖
5.基于遍历微小单元法非直视非共面紫外光通信信道容量分析 [J], 宋鹏;苏彩霞;赵太飞;陈锦妮;朱磊;张晓丹
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文章编号:0258 7025(2006)11 152205非视线光散射通信的大气传输模型冯 涛,陈 刚,方祖捷(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800)摘要 利用大气对光的散射作用可以实现非视线通信.在单次散射假定下,研究了非视线光散射通信系统的大气传输模型.利用该模型分析了光源发散角、接收视场和收发仰角等系统几何参数与接收散射光能量之间的关系;重点讨论了大气分子散射和气溶胶散射各自对接收散射光能量的贡献.结果表明当系统的收发仰角较大时,接收光能量主要来自大气分子散射;反之,气溶胶散射则成为接收光能量的主要部分.对于工作在日盲紫外光谱区的非视线通信系统,增加接收视场可以有效地增大系统的信噪比.发现在两种典型的收发仰角情况下,接收散射光能量随光源发散角的变化趋势是相反的,这说明光源发散角要根据实际的应用场合设计确定.关键词 光通信;光散射通信;非视线;大气传输;单次散射中图分类号 T N 929.12 文献标识码 AAtmospheric Propagation Model in Non Line of Sight Optical Scattering C ommunicationFENG Tao,CH EN Gang,FANG Zu jie(Shanghai I nstitute of Op tics and F ine M echanics ,T he Chinese A cademy of S ciences ,S hanghai 201800,China )Abstract Based on the assum ption of sing le scatter ing,atmospheric pr opagation model of no n line of sig ht optical scatter ing communicat ion sy st em is studied.T he mo del is used to analyze the co rr elations between r eceived scattered energ y and par amet ers of sy st em,including sour ce div erg ence angle,r eceiver field o f view ,and apex ang les o f transmitter and r eceiv er in an optical scatter ing communicat ion system.Contributio n o f atmospher ic mo lecular scatter ing and aer osol scatt ering of receiv ed scattered ener gy is discussed.T he r esult s sho w t hat received scattered energ y is attributed to molecular scattering at la rg er tr ansmitter and receiv er apex ang les,but with the decr ease o f apex ang les,aer osol scatter ing w ill be do minant in receiv ed scatter ed energ y.Enhancing of the receiver f ield o f view can effect ively improv e the signal no ise r atio fo r co mmunicatio n systems o per ating in the so lar blind ultr aviolet (U V)spectral r egio n.I n addition,the evo lution tendency o f r eceiv ed scatt er ed ener gy v ersus the source div erg ence ang le is inverse for tw o t ypical tr ansmitt er and receiver apex ang les.T his r esult sugg ests that diver gence angle of source should be desig ned according to specif ied situatio n.Key words o ptical communication;optical scattering communicatio n;non line o f sight;atmo spheric pro pag atio n;sing le scatter ing收稿日期:2006 04 24;收到修改稿日期:2006 05 23作者简介:冯 涛(1979 ),男,河南三门峡人,中国科学院上海光学精密机械研究所博士研究生,主要从事无线激光通信技术研究.E mail:tfeng@导师简介:方祖捷(1942 ),男,浙江宁波人,中国科学院上海光学精密机械研究所研究员,博士生导师,目前主要从事光电子器件和光通信技术方面的研究.E mail:zjfang @1 引 言近年来,自由空间光通信(FSO)技术[1]得到迅速发展,目前已进入商用阶段.自由空间光通信是一种视线(line of sihg t)通信技术,在发射和接收端之间存在障碍物或者收发光学系统偏离对准时,链路就会中断.如果利用大气对光波的散射来进行信号传送,就可以实现非视线通信,20世纪70年代,人们就对大气光散射信道进行了初步研究并预测了光散射通信的潜在应用价值[2,3].相对于红外和可见光波段,紫外光的波长较短,因而具有更强的大气散射效应,特别是在日盲紫外光谱区,近地面大气中几第33卷 第11期2006年11月中 国 激 光CHIN ESE JOU RNA L OF LA SERSV ol.33,N o.11No vember,2006乎不存在这一波段的太阳辐射,大大有利于微弱的散射光信号的接收.由于大气对紫外光的衰减较强,有限的传输距离有利于实现短程保密通信,不易被干扰和截获.正是由于这些特点,日盲紫外波段是实现非视线光散射通信的最佳选择,随着紫外波段光电器件的迅速发展和成熟,非视线紫外通信技术越来越引起人们的兴趣[4~6].相对于视线光通信技术,非视线光散射通信系统通常采用较大发散角的光源和大视场的接收器,传统的光传输模型不适用于分析这种非视线的情况[7],Luettgen等发展的一种非视线单次散射模型[7]非常适用于分析大气中光的非视线传输.2000年,Shaw等[5]利用该模型研究了短距离非视线紫外通信,并提出将这一技术用于分布式传感器网络节点间的通信.但是,上述研究中仅仅考虑了大气中分子散射对通信系统接收光能量的贡献,并且进一步地将分子散射简化为各向同性散射.事实上,大气中的气溶胶散射也会影响到接收光能量.此外,非视线光散射通信一般用于低速通信,其受大气湍流的影响不像高速视线光通信那么严重.通过改变发射光源和接收装置的仰角、光源发散角等系统几何参数,非视线光散射通信可以灵活地部署以满足各种实际需求.可见,深入研究非视线光散射通信系统接收散射光能量的机制,研究大气分子散射和气溶胶散射各自对系统接收光能量的贡献以及系统各几何参数的影响,对于评估和设计非视线光散射通信系统是非常必要的.文中将忽略大气散射粒子的随机性,在单次散射假定下研究非视线光散射通信的大气传输模型,利用该模型对光在大气中的非视线传输进行模拟计算,讨论大气分子散射和气溶胶散射对非视线光通信系统的作用,以及光源和接收端各几何参数对接收光能量的影响.2 大气传输模型图1所示为光散射通信系统.发射端光源以发散角2 T向空间发出光信号,接收器的视场角为2 R,发射与接收仰角分别为 T和 R,发射光束与接收视场在空间的重叠区域的大气形成一个收发连接的散射体.发射光信号经过大气的衰减到达散射体,接收器收集来自该散射体对光信号的散射,这样就完成了信号的非视线传送.由于散射光通常都很微弱,人们一般通过增大接收视场以接收到更多的散图1散射光通信链路的收发示意图Fig.1Schematic diagram of scatter ing communication link射光.假设t=0时刻一个能量为Q t(单位为J)的激光脉冲向空间发射,考查在图1所示的几何关系下接收端的光能量.在满足单次散射的基础上,利用长球面坐标系研究非视线光传输是很方便的[7].在这种坐标系中,空间中的每个点可由径向分量,角坐标!和方位坐标∀唯一确定(如图2所示).若发射端和接收端分别位于长球面的两个焦点上,则某一给定长球面上的任意一点与两个焦点之间的距离之和为一常数,从而这个长球面就可以看作是一个等时延面.图2长球面坐标系Fig.2Pr olate spherio dal coor dinates考查有效散射体内的任一点P(,!,∀),则包含P点的体积元#V可看作一个二次辐射源,它向整个空间辐射出的总能量为#Q P=k s Q T exp(-k e r2)∃T r22#V,(1)式中∃T=4%sin2( T/2)表示光源发射立体角,k s为大气散射系数(单位为m-1),k e为大气消光系数(等于吸收系数与散射系数之和,单位为m-1),r2表示光源与P点之间的距离(单位为m).该二次源在接收端单位面积上的散射能量可以表示为#H R=Q T k s cos(&)exp[-k e(r1+r2)]4%∃T(r1r2)2p( s)#V,(2)152311期 冯 涛等:非视线光散射通信的大气传输模型式中r1表示二次源与接收端之间的距离(单位为m),p( s)为散射相函数,表示散射强度随散射角的依赖关系,&为接收视场轴线和二次源与接收端连线之间的夹角,cos(&)是考虑接收器的有效接收面积而引入的.长球面坐标系中的体积元可以表示为#V=r38(2-!2)##!#∀,(3)式中的r表示光源与接收端的间距.将r1和r2用长球面坐标表示,并利用(3)式,(2)式就可重写成#H R=Q T k s cos(&)exp(-k e r)2%∃T r(2-!2)p( s)##!#∀.(4) 由于长球面=(r1+r2)/r表示一个等时延面,它散射的能量在t=(r1+r2)/c时刻到达接收端,因此有如下关系式=ct/r,(5)#=c#t/r,(6)将(5),(6)式代入(4)式,两端同时除以#t并令#t趋于零,即得到长球面上的一个微分面积元在接收端处产生的辐照度(单位为W m-2)#E()=Q T ck s cos(&)exp(-k e r)2%∃T r2(2-!2)p( s)#∀#!,(7)将(7)式对由确定的长球面积分就得到在t=r/c时刻接收到的辐照度E()=Q T ck s ex p(-k e r)2%∃T r2!!2()!1()!∀2(,!)∋1(,!)cos(&)p( s)(2-!2)d∀d!,(8)若将(8)式再对时间t进行积分,即可得到接收端的能量密度(单位J m-2)H R=!t ma x t min E(ct/r)d t,(9)这里的积分限是由空间有效散射体所决定的,有效散射体的范围依赖于光源发散角、接收视场以及系统的几何关系等参数.3 接收散射能量的分析从上一部分的结果可以看到,只要通信系统各参数和大气对光的消光与散射特性确定,就可以对系统进行计算分析了.光信号经光源发出后,在大气中经过大气分子和气溶胶的散射到达接收端.前者属于瑞利散射,而后者需用Mie散射理论处理.由于大气中的散射现象满足独立散射和非相干散射的条件[8],这两种散射可以分别进行处理,接收端总散射能量密度可表示成H R=H RR+H R M,(10)式中右边的第一项表示大气分子散射的贡献,第二项表示气溶胶散射的贡献.光信号在传输过程中受到的大气衰减可用消光系数来表示,消光系数可写为k e=k a+k sR+k sM,(11)式中k a表示大气吸收系数,k sR表示大气分子的瑞利散射系数,k sM表示气溶胶散射系数.非偏振光的瑞利散射相函数具有很简单的表达形式,可写为P R( s)=34(1+cos2 s).(12) 而Mie散射相函数却没有精确的解析解,这里拟采用Cornette等[9]提出的一种相函数表达式p M((,g)=321-g22+g21+(2(1+g2-2g()3/2,(13)式中(=cos s,g称为非对称因子,可表示为g=59(-43-2581(2x-1/3+x1/3,(14)式中 (表示散射角余弦的平均值,x可写为x=59(+125729(3+6427-325243(2+12502187(41/2,(15)非对称因子g表征了前向散射与后向散射的比例关系,当g∀0时(13)式就退化为瑞利散射相函数,随着g的增大前向散射将随之增强.图3为计算所得到的一些给定非对称因子的散射相函数.图3单次散射相函数F ig.3Sing le scattering phase functio n大气对光辐射的吸收和散射特性与辐射波长和天气状况(如霾、雾、雨等)密切相关,以中紫外波段日盲光谱区266nm的辐射波长为例进行分析,并设大气能见度为20km.根据文献数据报道,在此能见度1524中 国 激 光 33卷下该波长的大气消光系数k e = 1.45 10-3m-1[10],瑞利散射系数k sR =0.257 10-3m -1[11].该波段的吸收主要是由近地面大气中少量臭氧引起的,取臭氧的体积分数为27 10-9[12],则吸收系数k a =图4接收端单次散射能量密度随收发仰角的变化F ig.4Evo lutio n o f r eceived sing le scattering energ ydensit ies v ersus tr ansmitter and receiver apex ang les for differ ent receiver half field o f view0.67 10-3m-1[13].由(11)式可得,k sM =0.523 10-3m -1.图4给出了对于不同的接收视场,接收端单次散射能量密度随发射和接收仰角(为简单起见,假定接收和发射仰角相等)变化的计算结果.计算中所取的参数为:r =500m,Q T =1m J, T =45#, ( =0.8.从图中可以看到,随着收发仰角的增大,接收到的散射能量逐渐减小,特别是当仰角等于接收视场半角的时候,散射能量开始显著减小.另外,仰角较小时,接收到的能量主要来自气溶胶的Mie 散射,这是由于此时散射角较小,Mie 前向散射很强的缘故.随着仰角的逐步增大,能够到达接收端的光能量主要来自后向散射,此时大气分子的瑞利散射能量就成为接收光能量的主要贡献.对比图4中不同接收视场的三种情况,发现增加接收视场可以增大接收的散射能量.对于实际的通信系统,通过增加接收视场来增大接收光能量的同时,也增大了由背景辐射所引起的系统噪声,这也正是选择日盲紫外光谱区作为光散射通信工作波长的原因.图5接收端单次散射能量密度随光源发散角的变化F ig.5Evo lutio n o f receiv ed single scatt ering energ ydensities ver sus diverg ence ang le of sour ce对于不同的应用场合,系统的收发仰角应当合理取值以建立合乎要求的非视线通信链路.这里就两种情况作为例子进行分析:1)仰角 T = R =90#,即发射和接收轴线互相平行,这种情况适用于短距离内分布式的非视线通信;2)仰角 T = R =45#,例如收发端之间存在障碍物时的点对点非视线通信.两种情况下的半视场角均取 R =22.5#,其余参数和大气传输特性参数与上述的取值相同,并在计算中令 T < T (非视线传输),计算结果分别如图5(a),(b)所示.在发射光信号能量不变的前提下,发散角增大将导致信号强度的降低,同时也会增大空间的有效散射体,前者导致散射能量密度减小,后者则导致散射能量密度增加,两者的综合作用决定了接收散射能量的变化.从图中可以看到,两种情况下接收的散射光能量随光源发散角的变化趋势是相反的,随着光源发散角的增大,无论接收散射能量增加还是减小,其变化幅度并不大.在设计实际系统时,当发射信号功率一定的情况下,光源的发散角要根据应用场合设计确定.152511期 冯 涛等:非视线光散射通信的大气传输模型4 结 论研究了非视线光散射通信的大气传输模型,确定了系统接收端散射光能量密度与系统各参数和大气传输参数之间的联系,详细讨论了系统的收发仰角、接收视场和光源发散角对接收散射光能量的影响,对于实际系统的设计具有一定的指导意义,所提供的分析方法可用于评估实际通信系统的路径损耗和功率预算.散射光通信是靠接收大气分子和气溶胶对光信号的散射来工作的,大气状况会直接影响通信系统的性能,如大气能见度的降低会引起消光系数的增加从而限制系统的最大通信距离,因此进一步研究各种大气状况特别是低能见度时的系统工作特性是非常必要的.此外,在信号传送过程中存在多径传输现象,这就会导致光信号脉冲展宽,从而限制了系统的最大可用带宽.在今后的工作中将就上述问题进行更深入的研究.参考文献1 C hen Gang,Dong Zuoren,Geng J ianx in et al..155/622M b/sm ultiple transmitter laser communication s ystems[J].Chinese J.L aser s,2004,31(5):583~587陈 刚,董作人,耿健新等.155/622M 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第33卷第5期2007年9月 光学技术OP T ICA L T ECHN IQ U EV ol.33No.5Sep. 2007文章编号:1002-1582(2007)05-0759-04非直视紫外光通信单次散射传输模型研究*唐义,倪国强,张丽君,李永成(北京理工大学信息科技学院光电工程系,北京 100081)摘 要:依据L amber t 定律建立了非直视紫外光通信系统单次散射传输模型。
模型表明:大气传输中的两次斜向传输引入的大气透射比衰减,大气散射衰减和距离平方反比衰减是导致接收光功率随距离增加迅速衰减的主要因素。
为便于实际计算,对建立的散射传输模型做了合理的计算简化,经实验验证简化后的传输模型计算结果与实验结果吻合较好。
利用简化后的传输模型可以方便有效地计算出非直视紫外光通信接收机在不同距离下的接收功率和路径传输损耗,进而可以迅速、有效地计算和评估已知参数的非直视紫外光通信系统的极限工作距离。
关键词:NL OS;紫外光通信;日盲区;大气散射;单次散射模型中图分类号:T N929.12;O434.2 文献标识码:AStudy of single scatter model in NLOS UV communicationTAN G Yi,N I Guo -qian g,Z HANG L-i ju n,LI Yong -chen g(Depar tment of O ptical Engineering,Beijing Institute of T echnology ,Beijing 100081,China)Abstract:Based on L amber t law,a sing le scatter model about NL OS ultr av iolet communicat ion system of intensit y modu -late/dir ect detectio n was set up.A ccording to t he transmissio n model,atmospheric transmission attenuat ion,atmospheric scat -ter ing attenuation and inverse ration of square distance attenuatio n are the three main factors leading to the pow er attenuatio n with t he distance increase.In order to put the model into in practice,the model was simplified.T ested by t he ex periment out -doors,the calculation based on the model accor ds with the data acquired from exper iment quite well.T he simplified model could calculate power received by the receiver in differ ent distance and tr ansmission loss efficiently,w hich g ives effect ive w ay to bud -get and evaluate the tr ansmission distance of NL OS ultr av iolet communication systems in solar -blind.Key words:N LOS;so lar blind;ultraviolet co mmunication;atmospheric scattering;single scatter model0 引 言紫外光谱段可以分成多个区域,位于200~280nm 的谱段通常被称作紫外/日盲区0,该谱段的太阳辐射被大气平流层的臭氧层强烈吸收,从而在对流层(尤其是近地)内这个谱段的太阳背景低于10-13W/m 2[1],远低于可见光和近紫外段的太阳背图1 紫外光保密通信原理景强度。
紫外光通信系统正是选用/日盲区0作为工作频段,利用/日盲区0工作的接收机接收到较少的紫外光子就可以获得较高信噪比的接收信号。
由于紫外光波长较短,大气对紫外光的散射作用和吸收很强,这使得紫外光通信在具有非直视(NLOS,Non -Line -o-f Sight)通信,低位置探测率,全方位通信和地形适应性等工作特点(如图1所示)的同时,又比红外光通信和射频通信等无线通信方式图2 发射机和接收机角度配置具有更好的区域保密性,在一定距离之外根本无法干扰和窃听。
建立合理的紫外光散射传输模型对于计算NLOS 紫外光通信的散射传输损耗,进而计算紫外光通信系统的工作距离和有效的保密距离,以及紫外光通信系统的总体设计和分析、性能评估等有重要的实际指导意义。
1 NLOS 紫外光通信典型的大气紫外光通信系统都是强度调制/直759*收稿日期:2006-08-29;收到修改稿日期:2006-12-25 E -mail:tangyi4510@作者简介:唐义(1977-),男(汉族),吉林省人,北京理工大学博士研究生,从事大气紫外光通信和紫外告警技术方面研究。
接(IM /DD)探测系统[2,3]。
按照工作方式可以分为:直视(LOS)、准LOS [4](Quas-i LOS,QLOS )和NLOS 三类。
LOS 紫外光通信通常被称作自由空间光通信(Free -Space Optical Communication,FSOC),该方式下发射机要落入接收机的视场,并且在光路上无任何障碍物的遮挡,构成较典型激光通信视场更宽的点对点、或/扩展点0、或面的通信方式。
按照发射视场大小的不同,LOS 又可分为半定向通信(信号向四分之一圆周方位角发射,?45b ),定向通信(发射方位角在?5b 之内),严格LOS(发射方位角在?0.01b 之内)等。
LOS 方式下通信距离较长,但无法发挥紫外光通信/全方位通信0的优势。
严格意义上的NLOS 传输,发射机不落入接收机光学系统视场内。
根据发射机和接收机的光轴与水平面的夹角<T 和<R 的大小不同(如图2),NLOS 紫外光通信又分为(a)、(b)、(c)三种类型[4],如图3所示。
图3 NL OS 通信配置方式紫外光在大气中的强烈的散射提供了发射机和接收机处于非直视条件下传输信息的途径,发射机和接收机视场角的交叠形成了非直视的传输路径。
这种工作模式可以看作有大量的小/中继站0安装于发射机和接收机交叠空间的不同位置,使得发射信号可以通过各个/中继站0到达接收机。
在丛林或植被很多的环境中,尽管可能发射机已经进入接收机的视场中,但光路可能被树叶或植被遮挡,构成了QLOS 方式。
此时紫外光信号的强烈的侧向散射仍能构成通信链路。
尽管如此,QLOS 方式的通信效果仍强于朝向天顶发射和接收的NLOS(a)类方式。
三种工作方式的紫外光通信系统的性能、特点比较如表1所示。
表1 紫外光通信不同配置方式比较工作方式夹角<T /(b )夹角<R /(b )全方位性工作距离/km 交叠空间通信带宽LOS 无2~10最宽QLOS无<LOS 宽NLOS(a)类9090最好1无限最窄NLOS (b)类<90<90较好 1.5~2有限较宽NLOS(c)类<90<90差2~5有限宽事实上,紫外光通信系统的工作方式可以在使用中通过调整发射机、接收机与光轴的夹角自动转换。
如工作于NLOS(a)类时减小<T 和<R ,则工作方式依次变为(b)类,(c)类,最终发射机落入接收机的视场,转换为LOS 工作方式,系统的工作距离也由最短变为最长,通信带宽由最窄变为最宽。
2 NLOS 传输单次散射模型2.1 NLOS 接收功率/传输距离的理论分析NLOS 传输损耗的计算要比LOS 传输损耗的计算复杂得多,因为发射光子并非沿直线从发射机直接到达接收机,而是经过一次或多次大气散射到达接收机,因而无法直接利用辐射定律求解。
非直视紫外光通信的研究采用了多种形式(基于单次或多次大气散射)的大气传输模型。
被认同的有两类:一个是Texas 辐射研究协会的蒙特卡罗计算模型,初步考虑了多次散射的影响,能处理紫外传播的复杂问题,但是计算速度比较慢,不实用;另一类是未经过严格的推导,仅通过实验建立的半经验模型)))美军模型[5]。
图4 单次散射和多次散射的大气传输衰减对比当由发射机发射出的光子到达接收机时,散射的次数超过一次的概率非常低时,采用单次散射模型是适用的[6,7];此外经过多次散射的光子传输路径长度必然较单次散射增大,导致大图5 模型坐标系气透射比衰减较单词散射光子增大[8],散射衰减也较单次散射光子增大,多次散射光子对于接收信号的光功率的增加是十分有限的,可以忽略。
因此对NLOS 接收功率计算采用单次散射模型,不会出现太大的偏差。
大气传输软件MODTRAN -4[9]仿真计算结果也证明了一点。
图4为由海面大气模型(大气能见度23km)计算出的紫外日盲区水平路径传输1km 时单次散射和多次散射大气透射比衰减,图中两条透射比曲线几乎完全重合,传输衰减差异可以忽略。
下文给出了由Lambert 定律推导出的基于单次760光 学 技 术第33卷散射的大气散射传输模型,模型针对NLOS(a)类,发射机和接收机距离为r。
传输模型计算由发射机发出的光子经过大气散射、消光后被紫外接收机接收到的光功率。
单次散射模型假定从发射机光源发出的光子经一次散射后到达接收机,因此光子从光源到达接收机经历三个衰减过程(如图5),即两次大气传输衰减过程:从光源传输到散射点(图5中从F1点到P1点过程),从散射点传输到接收机(图5中从P1点到F2点过程);一次散射过程:在P1点。
模型的计算采用极坐标系[10,11],径向坐标Q、角度坐标H和方位角坐标U。
在时刻t到达探测器的所有单次散射的光子的传输路程相同,F1P1和F1P2距离之和为常数,即P1点位于以F1点和F2点为焦点的椭球面上,可将发射机和接收机分别置于椭球的两个焦点处,焦距为r(如图5),其中椭球沿方位角U方向旋转对称。
计算时刻t到达探测器所有单次散射的能量,只需对发射机和接收机视场交叠区域内的椭球积分即可。
这里认为发射机和接收机视场均为180b,对于工作于地面上的紫外光通信系统只要对上半个椭球积分即可。