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.     

天气对光散射传输影响的仿真分析

天气对光散射传输影响分析具有很好的实践指导意义。目前均用单次散射模型研究非视线光传输信道特性,但该方法在天气条件差或者传输距离较远时误差很大。利用蒙特卡罗方法进行了基于多次散射的非视线光传输模拟,对多种天气条件下(晴、阴、雨和雾等)不同距离光散射传输进行仿真。结果表明,中远距离散射传输时,大气衰减起主导作用,信号传输质量由晴、阴、雨、雾依次降低;近距离散射传输时,受到大气衰减和散射的共同作用,天气对光散射传输的影响较小。因此,大气光散射传输技术可作为短距离条件下实现全天候通信的一种新方式。     

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。     

大气信道紫外光通信系统通信距离的增程方法

介绍了紫外光大气传输理论和非直视单散射模型.在此模型基础上,针对紫外光通信系统的结构设计对信道能量损耗的影响进行了理论上的定性分析.对不同天气、不同通信模式、不同几何结构参量条件下,大气信道所产生的能量损耗进行了定量仿真.仿真结果表明:能量衰减随通信距离的增加而增大;不同能见度条件下,能量衰减随通信距离的递增程度不同,能见度越高能量衰减越小,可实现的通信距离越远;通信距离随发射仰角的减小而增加,随接收仰角的减小而增加,且发射仰角对通信距离的影响程度大于接收仰角;通信距离随发射束散角的增加而增加,随接收视场角的减小而增加,且接收视场角对通信距离的影响程度远大于发射束散角.     

大气信道紫外光通信系统通信距离的增程方法

介绍了紫外光大气传输理论和非直视单散射模型.在此模型基础上,针对紫外光通信系统的结构设计对信道能量损耗的影响进行了理论上的定性分析.对不同天气、不同通信模式、不同几何结构参量条件下,大气信道所产生的能量损耗进行了定量仿真.仿真结果表明:能量衰减随通信距离的增加而增大;不同能见度条件下,能量衰减随通信距离的递增程度不同,能见度越高能量衰减越小,可实现的通信距离越远;通信距离随发射仰角的减小而增加,随接收仰角的减小而增加,且发射仰角对通信距离的影响程度大于接收仰角;通信距离随发射束散角的增加而增加,随接收视场角的减小而增加,且接收视场角对通信距离的影响程度远大于发射束散角.     

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。     

非视线紫外光大气传输模型的建立及验证

基于蒙特卡罗方法建立了非视线紫外光传输模型。利用此模型模拟了不同传输距离、不同发射和接收仰角等多种传输条件下的传输情况,并在同等条件下进行了相关实验。结果表明,在相同条件下,信号强度模拟曲线与实验曲线的变化趋势相同且吻合较好,但具有一定的误差。进一步分析指出,模型中大气散射系数、吸收系数、分子散射比、传输测试距离等参数的误差影响了模拟结果的准确,以及模拟与实验曲线的吻合程度。     

影响非视线紫外光传输距离的诸因素分析

介绍了非视线紫外光传输模型,利用Monte-Carlo方法对非视线紫外光传输过程进行模拟,分别讨论了能见度、降雨量、风速、光源发射功率、探测器灵敏度对传输距离的影响。结果显示能见度、降雨量对传输距离影响较大,风速几乎毫无影响;随着探测器灵敏度的提高,传输距离增大很快;而当光源功率增大到一定程度后,传输距离的增大不明显。对非视线紫外光传输系统的设计提供了依据。     

雾霾天气对紫外光通信的影响

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255nm的"日盲"紫外LED及光电倍增管作为收发器件,发射信号采用10kHz和100kHz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100m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0.6mW时,收发端仰角小于20°,通信距离小于40m,通信质量相对较好.     

大气信道对垂直发收模式紫外光散射通信性能影响的仿真

介绍了非直视单散射信道模型及其在椭球坐标系下的求解方法.在此基础上,针对垂直发收模式,研究了大气信道对紫外光通信系统的影响.对不同天气、不同通信距离条件下,大气信道所产生的能量损耗、时间延迟和脉冲展宽等进行了定量分析和仿真.仿真结果表明:能量衰减随能见度变化曲线存在拐点,即并不是天气越好,能见度越高,系统接收能量越大;通信距离1km时,能见度18km处出现能量衰减最小值;能量衰减随通信距离非线性递增,通信距离1km时,能量衰减近100dB;随着通信距离的增加,时间延迟和脉冲展宽都近似呈线性增长,通信距离1km时,时间延迟接近5μs,脉冲展宽大于10μs.     

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.     

Monte Carlo方法模拟非直视紫外光散射覆盖范围

针对大气中紫外光散射通信的特点, 用Monte Carlo方法对紫外光非直视(NLOS) 通信三种工作方式的覆盖范围进行分析, 建立了基于Monte Carlo方法的NLOS紫外光传输模型.利用Monte Carlo模拟方法对三种NLOS散射方式的单次和多次散射路径损耗及覆盖范围进行模拟研究, 结果表明, 多次散射和单次散射的路径损耗基本一致, NLOS(a) 类全向发送全向接收通信方式覆盖范围最小但全方位性好, NLOS(b) 类定向发送全向接收通信方式的覆盖范围较大但有一定方向性, NLOS(c) 类定向发送定向接收通信方式的覆盖范围最大但有很强的方向性.     

Security Simulation of Continuous-Variable Quantum Key Distribution over Air-to-Water Channel Using Monte Carlo Method

Considering the ocean water's optical attenuation and the roughness of the sea surface, we analyze the security of continuous-variable(CV) quantum key distribution(QKD) based air-to-water channel. The effects of the absorption and scattering on the transmittance of underwater quantum channel and the maximum secure transmission distance are studied. Considering the roughness of the sea surface, we simulate the performance bounds of CV QKD with different wind speeds using the Monte Carlo method. The results show that even if the secret key rate gradually reduces as the wind speed increases, the maximum transmission distance will not be affected obviously.Compared to the works regarding short-distance underwater optical communication, our research represents a significant step towards establishing secure communication between air platform and submarine vehicle.     

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.     

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。     

非视线散射大气光通信的光学天线

由于大气衰减的影响,非视线散射大气光通信需要使用光学天线以提高对光信号的采集能力,进而增加通信距离。针对非视线大气光通信的需求,利用ZEMAX软件对半球透镜、复合抛物面聚光器（CPC）和卡塞格伦望远镜等光学天线进行了性能分析。分析表明：半球透镜和CPC视场较大,增益值高。利用蒙特卡罗法模拟计算了一定条件下,非视线散射光通信在有无半球透镜或CPC作光学天线时到达探测元件的能量随通信距离的变化。结果表明：CPC聚光能力更强,适合作为非视线散射光通信的光学天线。     

紫外告警系统探测距离的估算

介绍了紫外告警原理及紫外告警系统的结构组成。基于典型目标(导弹)的紫外辐射特征和紫外辐射的大气传输特性,结合紫外告警系统探测器件的性能参数,根据像平面照度公式,提出了紫外告警系统探测距离的估算方法及模型,实例计算并验证了紫外告警系统在不同观察方位角对固体推进剂导弹的探测距离。分析研究表明,改变CCD最小照度值,像管的增益,光学系统的透过率和相对孔径等探测传感器的性能参数,可以提高紫外告警系统的探测距离。