方靖岳，王 飛

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，湖南 長沙 410073）

非視線光通信技術(shù)是繼無線電通信、微波通信、有線通信和光纖通信后發(fā)展起來的一種新的通信方式。非視線光通信技術(shù)的基本原理是把需傳輸?shù)男畔⒓虞d到光波上發(fā)送出去，利用大氣散射效應(yīng)作為傳輸通道，在接收端采用光學(xué)天線接收信號光，通過分光濾波等手段降低背景噪聲的影響，最后，利用光電探測器將微弱的有效光信號［1－2］轉(zhuǎn)換為電信號，進行解調(diào)及信息還原。紫外通信是一種新型非視線光通信技術(shù)［3－6］。紫外通信以“日盲區(qū)”紫外光作為信號載體，利用大氣分子和氣溶膠對紫外光的強烈散射作用，將紫外信號彌散到局域空間各個方位，再對探測到的信號作光電轉(zhuǎn)換后輸出，實現(xiàn)非視線光通信。光學(xué)天線是非視線光通信系統(tǒng)的重要組成部分，可分為發(fā)射天線和接收天線。發(fā)射光學(xué)天線的作用是壓縮光束的發(fā)散角，使光能量集中在一定立體角內(nèi)向特定方向發(fā)射；接收光學(xué)天線的作用是擴大探測器的接收范圍，盡可能多的接收包括目標(biāo)信號光在內(nèi)的自由空間的微弱散射光輻射，增強接收到的光功率，然后經(jīng)濾光片等衰減濾除背景噪聲光波后，目標(biāo)信號光被光電探測器探測并轉(zhuǎn)換為電信號。光學(xué)天線對增加通信距離，提高通信圖像和語音的質(zhì)量都十分重要，其設(shè)計的好壞直接影響紫外光通信的性能指標(biāo)。

搭建光學(xué)天線的光學(xué)元件可以分為透射式光學(xué)元件和反射式光學(xué)元件兩類，常見的透射式光學(xué)元件如透鏡組、半球透鏡、介質(zhì)內(nèi)部全反射聚光器、多表面聚光器等，反射式光學(xué)元件如拋物面鏡、反射式望遠鏡、光錐、復(fù)合拋物面聚光器等。在利用這些光學(xué)元件設(shè)計非視線通信的光學(xué)天線時，還將結(jié)合分光元件及鍍膜等工藝手段。文章中將主要介紹光錐的聚光性能。

1 模擬與分析

光錐是非常簡單的非成像聚光器，一般用作不同光學(xué)元件的結(jié)合部，其形狀及性能主要由兩個參數(shù)決定：長度L和半張角θ0。如圖1所示，a和b分別是入射孔徑半徑和出射孔徑半徑，則

入射光線與光錐壁法線方向的夾角為αk，其中k表示第k次反射，則反射角之間滿足關(guān)系：

如圖1所示，根據(jù)幾何關(guān)系可知，光線從A點經(jīng)反射到達B點沿光錐軸向方向前進的距離滿足如下關(guān)系式：

同理，光線從B點經(jīng)反射到達C點沿光錐軸向方向前進的距離滿足如下關(guān)系式：

光線經(jīng)光錐壁反射不斷向前推進，根據(jù) AB和 BC 間光線推進的規(guī)律，可以獲得光線在兩個射點之間前進距離的通用公式：

當(dāng)光線的入射光錐的角度不相同時，有的光線將被利用，而有的光線將無法達到光錐出射孔徑。取k0＝ ［α1／2θ0］（其中“［］”為取整符號），若，則光線最終將由出射孔徑射出，光線被利用；如果，則光線經(jīng)多次反射后將從入射孔徑射出，光線不被利用。根據(jù)式（10）－（11），利用 MATLAB進行光線追跡，得到平行光以不同角度（光線與光錐壁法線的夾角α1）入射以及雜散光入射光錐后光線的傳播情況，結(jié)果如圖2和3所示，可見：

入射光錐的光線不一定從出射孔徑射出，光錐只對大角度入射的光線具有集中的作用，即光錐具有一定視場角，合理設(shè)置a、b、L 3個參數(shù)，能擴大視場提高增益；

光錐的出射光線的方向雜亂，直接被濾光片接收時，光能利用效率較低；

光線可能在光錐內(nèi)作多次反射，為了減少光能的損失，應(yīng)當(dāng)保證光錐壁的光潔度，還可以考慮鍍膜。

圖2 平行光入射光線追跡

圖3 雜散光入射光線追跡

不同結(jié)構(gòu)的光錐，對光線的收集能力不同，利用增益G來描述光錐的聚光能力。假設(shè)以θ角入射的光束均勻照射，在加光錐后到達探測元件的光線數(shù)與不加光錐到達探測元件的光線數(shù)分別為N1（θ）和N0（θ），則光線以θ角入射時光學(xué)天線的增益是［7］

在光學(xué)會聚系統(tǒng)的焦距和探測元件的尺寸一定的前提下，接收口徑越大，視場越大，則增益越高。根據(jù)式（12）進行計算，圖3所示二維光錐的增益G＝0.980 8＜1，可見光錐不能起到有效會聚光線的作用，在非視線散射通信對雜散信號光進行采集的光學(xué)天線中只適宜用作不同光學(xué)元件的銜接器。

2 結(jié) 論

在非視線光散射通信的研究中，使用光學(xué)天線是增加通信距離的有效手段，作為一種常用的非成像聚光器，光錐被廣泛應(yīng)用于光學(xué)天線的搭建中。文章從幾何光學(xué)的角度推導(dǎo)了光線在光錐中傳播的解析表達式，利用光線追跡的方法模擬了光線在光錐中的傳播路徑。分析表明，在非視線散射通信對雜散信號光進行采集的光學(xué)天線中，光錐不能起到有效會聚光線的作用，只適宜用作不同光學(xué)元件的銜接器。

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