1 西安工程大学电子信息学院, 陕西 西安 710048
2 2. Electrical & Computer Engineering Department, California State Univ, Northridge, CA 91330, USA
3 西安工程大学理学院, 陕西 西安 710048
在非直视无线紫外光通信中, 利用大气中的粒子对紫外光进行散射作用来传递信息, 非直视紫外光通信在近距离隐蔽通信中有广阔的应用前景。 雾霾粒子属于气溶胶范畴, 由空气中的灰尘、 硫化物、 有机碳氢化合物等粒子组成。 雾霾粒子的尺度、 浓度、 形状等因素均会对无线紫外光散射通信的传输特性产生较大的影响。 首先, 基于蒙特卡罗方法建立了非直视紫外光多次散射模型, 将霾粒子的半径和浓度这两个物理量引入该模型中, 通过模拟大量光子在雾霾条件下经多次散射到达接收端的概率, 进而仿真分析了系统路径损耗与粒子半径和浓度之间的关系。 结果表明, (1) 在无线紫外光近距离通信条件下, 雾霾浓度越大, 路径损耗越小, 系统通信性能越好; (2) 通信距离大于500 m时, 增加雾霾粒子浓度, 系统路径损耗总体先减小再增大; (3) 在粒子浓度一定情况下, 增大粒子半径, 路径损耗先减小后增大, 且随着通信距离的增大, 路径损耗极小值的位置不断向粒子半径小的一侧移动。 其次, 在模型中引入粒子尺度谱分布的概念, 对粒子尺度谱分布进行分割, 分别求出不同粒径及其所对应浓度。 假定粒子尺度谱分布中不同粒径的粒子依次对光子产生散射作用, 对相应光子到达接收端的概率求和, 得到光子到达接收端的总概率, 进而求得多种粒径的粒子共同存在情况下系统的路径损耗, 使仿真模型更加逼近实际大气信道中多种半径雾霾粒子共同存在的事实。 最后, 搭建实验平台, 分别在良好、 严重雾霾、 极严重雾霾三种不同天气条件下, 实验测量了系统路径损耗和通信距离、 收发仰角之间的关系, 并与考虑粒子尺度谱分布模型中计算得到的路径损耗进行对比, 实验数据与仿真结果趋势一致, 雾霾天气下的通信质量优于良好天气, 收发仰角越大对应的路径损耗也越大。
紫外光 雾霾粒子 粒子谱分布 路径损耗 Ultraviolet Haze particles Size distribution Path loss
1 陆军工程大学通信士官学校, 重庆 400035
2 中国科学院国家天文台, 北京 100101
3 中国人民解放军78092部队, 四川 成都 610036
针对起伏地形环境下紫外光非直视通信路径损耗大、站点选址难的问题,提出了基于数字高程模型(DEM)的紫外光非直视传输的最佳收、发仰角求解方法。依托紫外光非直视单次散射模型,研究了路径损耗与收、发仰角之间的关系。针对不同地形原始DEM数据,通过插值提高分辨率,并提出了切线传输方案。采用顺序遍历法对收、发端位置及仰角变化对通信系统路径损耗的影响进行了研究。仿真结果表明,路径损耗在[10°,80°]收、发仰角区间内为增函数。在使用反距离加权插值法提高数据分辨率后,路径损耗值相较原始数据分别降低了0.014 dB、0.043 dB和0.385 dB。当按切线传输方案布设时,通信系统路径损耗值最小,设计的仿真程序可为收、发端站点科学布设提供支持。
光通信 紫外光 单次散射模型 起伏地形 路径损耗
1 天津市智能信号与图像处理实验室，天津 300300
2 中国民航大学电子信息与自动化学院，天津 300300
为了研究非视距（NLOS）紫外光通信在雾天环境下的通信性能，针对常见的雾天衰减模型不适用于紫外光大气信道衰减的问题，提出一种新的衰减模型，针对多次散射传输模型计算复杂的问题，提出一种非对称因子的简化计算方法，并使用分集接收技术建立单发多收（SIMO）紫外光通信系统。利用Mie散射理论建立雾天紫外光衰减模型，计算两种雾型在不同浓度下的紫外光衰减参量；提出关于雾滴粒径的非对称因子的简化计算方法；使用等增益合并技术将分集接收的信号合并。采用Monte Carlo法分析SIMO紫外光通信系统性能，并与单发单收（SISO）紫外光通信系统作对比。结果表明，分集接收能有效改善雾天的紫外光通信性能：在厚、中、薄三种雾天中，SIMO紫外光通信系统的最远通信距离比SISO通信系统分别大约5，10，10 m；SISO紫外光通信系统误码率为10-3时，SIMO通信系统误码率可降低到约10-5。
光通信 分集接收 蒙特卡罗法 路径损耗 误码率 激光与光电子学进展
2021, 58(11): 1106007
西安工程大学电子信息学院, 陕西 西安 710048
路径损耗是评估系统传输性能的重要参数,基于非直视非共面紫外光单次散射传输模型,采用遍历微元法对移动场景下无线紫外光通信单次散射路径损耗进行仿真,分析收发端几何参数以及收发节点相对位置变化对系统路径损耗的影响。结果表明:路径损耗在除180°方向外的其余方向上随着接收端移动距离的增大而增大;随着收发仰角增大,路径损耗增大,发射端仰角对路径损耗的影响更为显著;当视场角较大时,发散角变化对路径损耗的影响不大,而视场角的变化在非共面情况且移动距离较大时对路径损耗的影响较为明显,其余情况下则影响不大。
光通信 紫外光 单次散射 移动场景 遍历微元法 路径损耗
1 西安理工大学自动化与信息工程学院, 陕西 西安 710048
2 西南科技大学特殊环境机器人技术四川省重点实验室, 四川 绵阳 621010
3 北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室, 北京 100876
采用烟尘的团簇-团簇凝聚模型和离散偶极子近似方法,分析了紫外光在不同烟尘浓度和粒子半径下的单次和多次散射信道特性,以及散射角对散射光强的影响。研究结果表明,在紫外光短距离直视通信方式下,当粒子半径相同时,随着烟尘浓度的增大,路径损耗不断增大,而当烟尘浓度一定时,路径损耗随着粒径的增大而增大;在紫外光非直视通信方式下,短距离时烟尘浓度及原始半径越大,散射信道路径损耗越小,而长距离通信时烟尘浓度越高,其路径损耗越大,但不同浓度下的路径损耗的差别较小。在多次散射情况下,散射光强随着散射角的增大而减小,而当散射角相同时,烟尘浓度越高,紫外光的散射光强越大。
大气光学 紫外光通信 烟尘团簇粒子 路径损耗 散射光强 激光与光电子学进展
2019, 56(5): 050103
1 西安工程大学 电子信息学院, 西安 710048
2 西安理工大学 陕西省复杂控制与智能信息处理重点实验室, 西安 710048
3 西安理工大学 自动化与信息工程学院, 西安 710048
在紫外光传输模型的基础上, 基于米散射和瑞利散射理论, 分析了大气分子和气溶胶粒子对紫外光的吸收和散射特性.利用蒙特卡洛方法仿真分析了良好、严重雾霾、极严重雾霾三种天气条件下的紫外光通信系统路径损耗和误码率.使用波长为255 nm的“日盲”紫外LED及光电倍增管作为收发器件, 发射信号采用10 kHz和100 kHz的方波信号, 在三种不同天气情况下进行户外短距离紫外光通信实验.实验结果表明：在通信距离小于100 m条件下, 随着雾霾污染程度的加重, 紫外光直视通信路径损耗逐渐增大, 紫外光非直视通信路径损耗逐渐减小.在进行非直视紫外光通信时, 发射光功率为0.6 mW时, 收发端仰角小于20°, 通信距离小于40 m, 通信质量相对较好.
大气光学 光通信 蒙特卡洛仿真 紫外光 路径损耗 误码率 非直视 Atmospheric optics Optic communication Monte Carlo simulation Ultraviolet Path loss Bit error rate Non-line-of-sight
1 西安理工大学自动化与信息工程学院, 陕西 西安 710048
2 陕西省复杂系统控制与智能信息处理重点实验室, 西安理工大学, 陕西 西安 710048
紫外光与雾霾粒子发生散射后, 其散射信道特性能够反映雾霾粒子的相关物理信息, 利用无线紫外光单次和多次散射信道模型, 采用Mie散射和T矩阵理论分析了霾粒子在不同形态和浓度下的紫外光散射信道特性, 以及散射角对散射光强的影响, 并完成了紫外光在雾霾环境下的实测。 通过理论及仿真分析, 得到了不同霾粒子形态下的紫外光通信路径损耗以及光强分布。 结果表明: 紫外光直视通信方式下, 路径损耗随着霾粒子浓度的增大而增大, 且通信质量差于晴朗天。 非直视通信方式中, 在短距离通信时, 高霾浓度下的路径损耗小于中低霾浓度, 然而随着通信距离的继续增大, 高雾霾浓度下的通信质量急剧下降, 低霾浓度下通信质量最终达到最优, 且距离为200 m时通信质量能优于晴朗环境。 当通信距离相同时, 三种雾霾浓度下的紫外光散射光强分布均随着散射角的增大而减小, 当散射角继续增大并超过90°时, 低霾浓度下的散射光强最大。 主要原因是虽然散射角继续增大, 但是有效散射体体积逐渐减小, 因此低霾浓度下的散射光强较大。 且当粒子粒径相同时, 球形粒子的衰减较非球形粒子大。 雾霾环境下实测结果与仿真结果相类似, 证明了仿真结果的正确性, 并在一定程度上证明了实际大气中雾霾非球形粒子多于球形粒子。
紫外光 雾霾粒子 散射光强 路径损耗 Ultraviolet Haze particles Scattering intensity Path loss
1 空军工程大学 信息与导航学院, 西安 710077
2 空军大连通信士官学校, 辽宁 大连 116600
3 中国人民解放军93010部队, 沈阳 110016
为分析高空紫外光通信性能, 建立了高空太阳辐射分布模型; 研究了不同波长紫外光的高空散射系数和吸收系数; 考虑太阳辐射的背景光和接收端散粒噪声, 对紫外光直视与非直视链路的损耗和信噪比进行了仿真分析。结果表明: 在高空30km以下, 由太阳辐射产生的背景光远小于接收端散粒噪声; 在7km的高度上280nm的信号光可实现距离为5km、速率为10Mb/s的直视通信和距离1km、速率50kb/s、收发端仰角为20°的非直视通信。直视与非直视通信可以通过选择波长在“日盲区”两端的信号来减小臭氧对紫外光的吸收作用, 提高信噪比; 非直视通信还可以选择“日盲区”波长短的信号来增强散射效应, 改善通信性能。
紫外光通信 背景光 信噪比 链路损耗 波长 ultraviolet communication back-ground noise SNR path loss wavelength
西安理工大学自动化与信息工程学院, 陕西 西安 710048
针对无线紫外光通信特点及直升机降落过程中的信道特征，设计无线紫外光通信方法，利用LED阵列结构，实现对直升机的降落区域引导及空地紫外光通信。基于紫外光在真实空间的传输特点，从路径损耗、信噪比等方面探索无线紫外光通信在不同收发仰角条件下的性能差异。使用日盲紫外光LED光源及光电倍增管作为收发器件，对提出方法进行实验验证，获得不同收发仰角条件下紫外光传输的路径损耗及信噪比。直视通信性能最佳，收发仰角在30°以内的通信性能更适用于实际情况，收发仰角大于30°时通信性能快速下降。
光通信 紫外光通信 路径损耗 信噪比 直升机 辅助降落 激光与光电子学进展
2016, 53(6): 060602
1 解放军理工大学通信工程学院光电与量子信息技术教研室，江苏 南京 210007
2 中国人民解放军61932部队，北京 100191
：基于概率论和随机迁移理论，建立多次散射随机模型，采用蒙特卡洛方法仿真分析了辐射雾条件下，不同的通信距离条件时，近红外信号光在大气传输信道中传输的路径损耗与能见度之间的关系，指出在给定的通信距离以及给定的系统发送端发送仰角和发送光束束散角，接收端接收仰角和接收视场角等几何参数下，会存在一个能见度使得在这个能见度条件下信号光传输的损耗最小。在通信距离、能见度给定的情况下，针对大气散射通信几何构架中的各个参数的改变都会对非视距大气散射光通信链路路径损耗产生影响，通过模型仿真，提出辐射雾环境下最优化通信链路几何构架。仿真中采取808 nm波长的激光二极管(LD)作为光源。
大气光学 非视距链路 蒙特卡洛 路径损耗 能见度 atmospheric optics non-line-of-sight link Monte Carlo path loss visibility
