“日盲”紫外光通信网络中节点覆盖范围研究

Ad Hoc网络技术可以大大扩展紫外光散射通信的有效范围,对通信节点覆盖范围模型的研究非常重要;针对"日盲"波段(200～280nm)紫外光通信的特点及Ad Hoc网络中固有的一些特性,研究了非视距(non-line-of-sight)紫外光散射通信的三种通信方式,分析了单次散射信道中大气传输衰减,有效散射体体积,接收功率;根据单次散射数学信道模型中收发仰角的不同,得到三种不同的通信模型,并在此基础上建立了"日盲"紫外光通信网络中节点覆盖范围模型,并分析计算了三种通信方式下节点通信距离和覆盖范围;给出了紫外光散射通信网络中不同通信方式下通信节点覆盖范围的具体公式和计算方法。     

非视线紫外光信号传输时间特性的数值模拟

在研究紫外光学非视线通信技术中,需要深入了解由于紫外大气散射效应所带来的各种信号畸变.传统的单次散射近似方法在进行较远距离、复杂天气条件下非视线光传输模拟时误差很大,采用基于Monte Carlo(MC)方法改进算法进行非视线紫外光信号传输的数值模拟,通过随机抽样的方法模拟光子在大气系统中的随机游动,在光子被大气中的粒子散射时计算其进入探测器的概率,模拟大气系统的脉冲响应函数.模拟结果表明:采用光子散射探测概率方法改进后的MC模型在模拟非视线光信号传输时计算效率显著提高;大气系统对非视线传输时的紫外光脉冲具有很强的展宽效应;随着光信号传输距离的增大,信号强度呈近似指数衰减的趋势.     

紫外光通信中基于大气散射理论的传输模型

在研究单次散射模型的基础上, 针对单次散射模型不能对天气变化对紫外光信号造成的影响做出模拟的不足, 结合大气散射理论构建了紫外光传输的二次散射模型。研究了瑞利散射和米氏(Mie)散射在四种典型天气条件下的散射相函数, 仿真得出了紫外光被大气中的粒子散射后的能量分布情况, 将其引入二次散射模型, 并确定了各种天气条件下的散射粒子浓度后对紫外光通信系统做出性能仿真。计算结果表明, 二次散射模型可以仿真不同的天气条件下的紫外光通信系统的性能, 从仿真结果上验证了非直视通信的可实现性。并得出, 在雨、雾天气下, 紫外光信号衰减剧烈, 接收仰角不可过大; 在天气晴好时, 能更好的实现紫外光非直视通信, 接收仰角可达到180°。长距离通信时, 天气状况变化对通信性能影响更大。     

雾霾粒子的紫外光散射特性研究

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。     

移动场景下无线紫外光通信单次散射路径损耗分析

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。     

基于数字高程模型的起伏地形对紫外光非直视通信的路径损耗

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。     

基于粒子谱分布的无线紫外光通信散射传输特性研究

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。     

降雨粒子的无线紫外光散射特性

紫外光与降雨粒子相互作用发生散射,散射光特性改变能够反映降雨粒子的相关物理特性（如粒子尺寸参数、浓度、形态）,因此研究粒子的物理参数对散射光特性的影响对有效提高光谱法定量探测降水的精度有很大意义。由于雨滴在非球形降水粒子中具有代表性,以群雨滴粒子为例,采用T矩阵理论,利用紫外光直视和非直视单次散射模型,分析了入射光波长、群雨滴粒子形态、降雨强度、粒径大小与散射光强之间的关系。并用蒙特卡洛方法仿真分析了非球形群雨滴粒子在不同降雨强度和粒径下散射角与散射光强之间的关系,以及降雨环境中的风切变对紫外光散射特性的影响。通过理论及仿真分析,得到了不同群雨滴粒子形态下的路径损耗,不同降雨强度、风切变率和粒径下的散射光强分布。仿真结果表明：在紫外光直视与非直视通信方式下,降雨环境中的通信质量比晴天条件下的通信质量差,即路径损耗增大。当粒径分布已知时,随着降雨强度的增大,衰减系数增大,路径损耗增加,且直视通信方式的路径损耗比非直视降低7 dB左右。随着降雨强度、风切变率和粒子粒径的增大,散射光强曲线整体呈下降趋势,其中,降雨强度的变化对散射光强分布影响程度最大。相同通信距离时,不同降雨强度下的紫外光散射光强分布均随着散射角的增大而减小,当散射角继续增大到90°时,有效散射体体积逐渐减小,接收到的光子能量减小,暴雨中的散射光强衰减程度最大。相同降雨强度下考虑风切变时,相比较无风时的路径损耗增大5 dB左右。除此之外,还研究了椭球形和切比雪夫形粒子对紫外光散射光强的影响,结果表明当粒子粒径分布相同时,椭球形粒子的散射光强衰减较广义切比雪夫形粒子大。根据散射粒子的散射光强分布以及路径损耗能够区分雨滴粒子是否由相同粒径及形态组成,为粒子测量提供理论基础。分析降水中群雨滴粒子的光散射特性,为提高光谱法评估降水衰减的数值模拟方面提供理论依据,为光学技术在探测识别降水现象等气象领域的广泛应用提供了设计参考。     

非视线紫外通信大气传输特性的蒙特卡罗模拟

基于蒙特卡罗方法建立了紫外光非视线传输多次散射模型,利用单次散射近似法和实验方法验证了模型的有效性,并利用该模型完成了非视线紫外光通信大气传输特性的模拟.模拟时光波长取紫外光通信的最佳工作波段(250 nm附近),分析了不同传输距离下能见度、风、雨、雾等参量对系统能量透射比的影响.结果指出,系统能量透射比随传输距离增大而剧烈减小,在天气较差传输条件下能量衰减得更快；风力大小的变化对通信系统影响不大.较近距离通信传输时(一两百米),通信系统受天气条件的影响较小.     

大气信道简化单次散射模型

采用椭球坐标系研究非直视日盲紫外光通信的单次散射模型,求解过程中要对有效散射体的体积进行复杂的数值积分并确定三组积分限。为便于分析,使用近似表达式极大简化了复杂单次散射信道模型,得出路径损耗是收发机几何结构与大气散射吸收系数的函数。对传输距离和路径损耗的仿真证明,该近似表达式与原始模型的所得结果吻合很好。利用该近似表达式,分别仿真分析了大气能见度对紫外光通信系统路径损耗和误码率的影响,仿真结果表明,大气能见度并不是越高越好,而是在能见度为10 km时紫外光通信系统有最佳性能。     

无线紫外光散射通信中多信道接入技术研究

针对无线紫外光散射通信MAC层多信道接入技术的特点,结合紫外光散射通信的基本原理,对紫外光非直视通信的三种工作方式进行分析,在通信节点处配置多套紫外收发器的情况下,建立了紫外光通信的节点模型和信道模型,进行多信道的接入研究。利用NS2仿真软件,对紫外光非直视的三种多信道通信方式在不同的拓扑结构下进行了仿真,结果表明,该紫外光多信道接入技术能在一定程度上利用多个信道同时进行通信,大大增加网络的有效吞吐量。     

The characterization of non-line-of-sight ultraviolet communication in non-common-scattering volume

We studied ultraviolet communication characterization in non-common-scattering volume using multiple scattering model based on Monte Carlo method, including impulse response bandwidth, energy intensity, and path loss. An outdoor testbed using a low pressure-mercury lamp was set up to provide support for the correctness of the simulation model. This work is complementary to UV communication characterization in common volume. It is useful in UV system design, networks technology and weaker UV signal detecting in non-common-scattering volume.     

Effects of atmosphere visibility on performances of non-line-of-sight ultraviolet communication systems

Dependence of performances of non-line-of-sight (NLOS) solar-blind ultraviolet (UV) communication systems on atmosphere visibility is investigated numerically by correlating the propagation of UV radiation with the visibility. A simplified solar-blind UV atmospheric propagation model is introduced, and the NLOS UV communication system model is constituted based on the single scattering assumption. Using the model, numerical simulation is conducted for two typical geometry configurations and different modulation formats. The results indicate that the performance of the NLOS UV communication system is insensitive to variation of visibility in quite a large range, and deteriorates significantly only in very low-visibility weather, and is also dependent on the geometry configuration of the system. The results also show that the pulse position modulation (PPM) is preferable due to its high-power efficiency to improve the system performance.     

非直视紫外光通信单次散射传输模型研究

依据Lambert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。     

Multipath dispersion of pulse signals in a non-line-of-sight optical scattering channel

Multipath-induced pulse broadening in a non-line-of-sight (NLOS) optical scattering channel is investigated. Expressions for impulse response and digital signal-to-noise ratio (DSNR) penalty induced by inter-symbol interference (ISI) of a NLOS ultraviolet (UV) scattering communication are introduced based ona single-scattering model, and simulated results for some typical atmospheric condition and configurationof geometry are given in the paper. It is shown that the multipath dispersion is one of the most importantfactors limiting the system performances, and return-to-zero (RZ) format is more suitable for the opticalscattering communications than non-return-to-zero (NRZ) format. The method proposed here can be usedto predict available bandwidth and data rate of the communication system operating in a NLOS opticalscattering channel.     

激光在不同类型气溶胶中传输特性研究

激光在大气中的传输衰减特性是激光工程应用中需要考虑的一个重要问题.本文针对常用的1.06 μm和10.6μm激光,基于Mie散射理论计算了气溶胶粒子的单次散射参量;对于激光在气溶胶中多次散射传输衰减,建立了蒙特卡罗模拟计算模型,利用Matlab语言编制了相应的计算程序,计算分析了两种波长的激光分别在沙尘性、水溶性、海洋性和煤烟性四种不同类型气溶胶中透过率与传播距离、能见度的关系,并将蒙特卡罗方法和单次散射的计算结果进行了比较.结果表明,当能见度较低、气溶胶粒子反照率较高时,单次散射计算存在很大的误差,用蒙特卡罗方法更能揭示多重散射现象;煤烟性气溶胶对1.06 μm激光的传输衰减影响最大,沙尘性气溶胶对10.6 μm激光的传输衰减影响最大.