鞏稼民,李晨,姜小波,徐嘉馳,楊萌,孟令賀

(西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院,西安 710121)

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霧環(huán)境下非視距紫外光多次散射路徑損耗分析

鞏稼民,李晨,姜小波,徐嘉馳,楊萌,孟令賀

(西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院,西安 710121)

摘要:采用基于Monte-Carlo(蒙特卡洛)方法的多次散射模型對(duì)輻射霧環(huán)境下非視距紫外光通信傳輸特性進(jìn)行模擬分析。選取波長(zhǎng)為260 nm的紫外光,分析了在輻射霧環(huán)境中,當(dāng)能見度給定時(shí),紫外光在大氣傳輸信道中的路徑損耗與幾何尺寸和通信距離的關(guān)系,通過仿真分析得到最優(yōu)化的幾何尺寸參數(shù)。分析了不同通信距離下,紫外光的路徑損耗與能見度的關(guān)系。結(jié)果表明,在通信距離及收發(fā)系統(tǒng)幾何尺寸參數(shù)已知的情況下,存在一個(gè)能見度的值使得紫外光傳輸?shù)穆窂綋p耗最小。

關(guān)鍵詞:非視距紫外光;蒙特卡洛方法;能見度;輻射霧

0　引 言

紫外光通信是一種新興的無(wú)線通信方式,它采用“日盲”波段(200～280 nm)的深紫外光實(shí)現(xiàn)大氣中的無(wú)線通信[1]。由于大氣中的臭氧層會(huì)對(duì)位于日盲紫外波段的太陽(yáng)光強(qiáng)烈吸收,因此在近地面的大氣中采用紫外光波進(jìn)行散射光通信有利于通信系統(tǒng)信噪比的提高;同時(shí)紫外光波段受大氣的影響具有較強(qiáng)的散射特性,更加有利于信號(hào)的探測(cè)接收[2]。與傳統(tǒng)無(wú)線通信技術(shù)相比,日盲非視距紫外光通信因具有區(qū)域保密性強(qiáng)、全方位全候性、無(wú)需跟蹤瞄準(zhǔn)和鏈路穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢(shì)[3],在軍事領(lǐng)域備受重視并有很好的實(shí)用價(jià)值。

本文在研究霧天情況下折射率、物理特性以及霧滴粒子的譜分布特性的基礎(chǔ)上,利用散射理論分析了霧滴粒子在紫外光(λ=260 nm)波段的散射特性,并建立了多次散射隨機(jī)信道模型;分析了在輻射霧環(huán)境中能見度給定的情況下,紫外光通信收發(fā)系統(tǒng)幾何尺寸的各個(gè)參數(shù)不同時(shí),通信距離和路徑損耗的關(guān)系,并得到最優(yōu)化的幾何尺寸參數(shù);分析了輻射霧環(huán)境下路徑損耗與通信距離、能見度之間的關(guān)系,對(duì)輻射霧環(huán)境下非視距日盲紫外光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化有一定的幫助。

1　霧滴粒子的分布特性

在水汽充足、微風(fēng)及大氣層穩(wěn)定的情況下,當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到100%時(shí),空氣中的水汽便會(huì)凝結(jié)成細(xì)微的水滴懸浮于空中,使地面水平能見度下降,這種天氣現(xiàn)象稱為霧。根據(jù)形成機(jī)理和地域,可以將霧分為輻射霧和平流霧兩種。由于輻射霧的霧粒子半徑通常小于10μm,而平流霧的霧粒子半徑比輻射霧大,因此本文主要基于輻射霧條件進(jìn)行分析。

按目標(biāo)物的水平能見度距離,可將霧分為5個(gè)等級(jí),如表1所示。

表1　霧的分類

霧滴的成分隨霧凝集核的不同而略有不同,折射率也會(huì)有所不同,通常用純水的折射率來(lái)計(jì)算霧的散射系數(shù)。本文選取波長(zhǎng)為260 nm的紫外光,水滴對(duì)其復(fù)折射系數(shù)m=1.359+i×3.35× 10-8[4],利用能見度v與霧液態(tài)含水量的關(guān)系可以推出輻射霧和平流霧的尺寸分布[5]如下:

式中,r為霧滴粒子的半徑。由于霧滴粒子的半徑范圍在1～10μm,而從超遠(yuǎn)紫外到紅外波段范圍為10 nm ～0.28μm,r/λ的值并不是足夠大,所以霧滴粒子對(duì)于超遠(yuǎn)紫外直到紅外波段的影響體現(xiàn)在米氏散射方面。利用米氏散射理論可知霧滴粒子總的衰減系數(shù)、散射系數(shù)和吸收系數(shù)的表達(dá)式[6]為

分析式(1)、(2),得到波長(zhǎng)為260 nm的紫外光在輻射霧環(huán)境下散射系數(shù)與v的關(guān)系,如圖1所示。

圖1　輻射霧環(huán)境下散射系數(shù)與能見度v的關(guān)系

2　基于蒙特卡洛方法的多次散射信道模型的建立

假設(shè)紫外光子與霧滴粒子碰撞所發(fā)生的吸收或者散射事件是隨機(jī)的,忽略紫外光子與大氣中的分子、塵埃等粒子的碰撞,只考慮霧滴粒子對(duì)紫外光通信信道的影響,并且經(jīng)歷多次散射后,紫外光子的隨機(jī)遷移方向以及能否被接收器接收到也是隨機(jī)的。紫外光在大氣中多次散射的路徑如圖2所示。

圖2　多次散射路徑示意圖

由文獻(xiàn)[7]可知,第n次散射后,光子在接收視場(chǎng)內(nèi)到達(dá)接收器的概率為

式中,dΩ為散射點(diǎn)hn指向接收器底面的立體角微元;Ωn為被接收器底面觀察到的所有散射點(diǎn)hn出發(fā)的散射方向所形成的立體角;Sn為Ωn所對(duì)應(yīng)的Rx有效信號(hào)收集面積;p(cosθs)為散射相關(guān)函數(shù)。

光子從第n個(gè)散射點(diǎn)hn到Rx(記為位置h')處過程中的傳輸損耗可表示為[8]

式中,|hn-h'|為散射點(diǎn)到Rx的距離。

初始化光子權(quán)重為w0=1,記wn為第n次散射后光子的權(quán)重,則在散射點(diǎn)經(jīng)過散射消光后光子權(quán)重為[8]由式(3)～(5)可得路徑損耗(單位為dB)為

3　仿真結(jié)果分析

在霧環(huán)境下日盲非視距紫外光多次散射路徑損耗的分析中,由于紫外光通信的路徑損耗受收發(fā)系統(tǒng)幾何尺寸的影響,因此本文在能見度已知的情況下,通過改變發(fā)射視場(chǎng)角φT、發(fā)射仰角θT、接收視場(chǎng)角φR和接收仰角θR中的任何一項(xiàng)參數(shù),固定其他3項(xiàng)參數(shù),研究路徑損耗的變化。采用基于蒙特卡洛方法的多次散射模型,設(shè)非對(duì)稱因子g=0.874,每次發(fā)射光子數(shù)為105個(gè),接收孔徑面半徑為1 cm,能見度為0.5 km,通信距離為0～100 m。依次改變不同的幾何尺寸參數(shù),得到路徑損耗隨通信距離的變化如圖3、圖4所示。

圖3　不同發(fā)射視場(chǎng)角、發(fā)射仰角情況下,路徑損耗隨通信距離的變化

圖4　不同接收視場(chǎng)角、接收仰角情況下,路徑損耗隨通信距離的變化

圖3(a)為固定θT=5°、φR=30°、θR=5°,改變?chǔ)誘 時(shí),路徑損耗的變化趨勢(shì)圖?？梢钥闯?隨著通信距離的增大,路徑損耗迅速增大;隨著φT的增加,路徑損耗幾乎沒有變化。這是因?yàn)樵黾应誘可以增大有效散射體積,但同時(shí)降低了接收端的接收能力。因此,φT對(duì)路徑損耗幾乎沒有影響。

圖3(b)為固定φT=30°、φR=30°、θR=5°,改變?chǔ)萒時(shí),路徑損耗的變化趨勢(shì)圖。可以看出,隨著θT的增大,路徑損耗逐漸增大。這是由于θT增大,導(dǎo)致散射角也增大,從而降低了光子被接收器接收到的概率,因此,在其他參數(shù)不變的情況下,θT要盡量小。

圖4(a)為固定φT=30°、θT=5°、θR=5°,改變?chǔ)誖 時(shí),路徑損耗的變化趨勢(shì)圖?？梢钥闯?隨著φR的增大,路徑損耗迅速減小。因?yàn)樵黾恿私邮找曇?接收到的光子數(shù)自然就增多?？梢?φR越大越好。

圖4(b)為固定φT=30°、θT=5°、φR=30°,改變?chǔ)萊時(shí),路徑損耗的變化趨勢(shì)圖?？梢钥闯?隨著θR的增大,路徑損耗逐漸增大,這與改變?chǔ)萒的現(xiàn)象及原因是一樣的。因此,在其他3個(gè)參數(shù)固定的情況下,θR要盡量小。

通過上述仿真,可知在能見度固定的情況下,紫外光大氣散射通信幾何尺寸對(duì)大氣信道傳輸路徑損耗的影響,通過模型仿真,為了使路徑損耗降低,得到了紫外光大氣散射通信幾何尺寸的最優(yōu)化參數(shù): 即φT=30°,θT=5°,φR=30°,θR=5°。以此為基礎(chǔ),繼續(xù)分析已知幾何尺寸參數(shù)的情況下,輻射霧環(huán)境下通信距離、能見度和路徑損耗的關(guān)系。圖5所示為輻射霧下通信距離分別為0.2、0.5、1和2 km時(shí)路徑損耗與能見度之間的關(guān)系。

圖5　通信距離不同時(shí)路徑損耗與能見度v的關(guān)系

由圖可以看出,在輻射霧情況下,當(dāng)能見度v給定時(shí),通信距離越短,其路徑損耗越小;當(dāng)通信距離給定時(shí),v越大,其路徑損耗變化趨勢(shì)是先下降至一個(gè)最低點(diǎn)然后再慢慢變大,但變大的趨勢(shì)不明顯。當(dāng)通信距離為0.2 km時(shí),路徑損耗在v為0.2 km達(dá)到最低點(diǎn);當(dāng)通信距離為0.5 km時(shí),路徑損耗在v為1.0 km達(dá)到最低點(diǎn);當(dāng)通信距離為1 km時(shí),路徑損耗在v為1.7 km達(dá)到最低點(diǎn);當(dāng)通信距離為2 km時(shí),路徑損耗在能見度選取的最大范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)最低點(diǎn)。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是:在霧環(huán)境下,當(dāng)能見度很小時(shí),霧滴粒子的濃度會(huì)很大,這樣大量的霧滴粒子會(huì)存在于紫外光的傳輸路徑上,經(jīng)過多次散射之后,到達(dá)接收端的紫外光子隨之減少,因此傳輸信道的路徑損耗會(huì)增大;反之,當(dāng)能見度很大時(shí),傳輸路徑上的霧滴粒子會(huì)減少,由于霧滴粒子是光子散射的媒介,因此會(huì)使接收器接收到的光子數(shù)變少,從而導(dǎo)致路徑損耗增大。所以會(huì)存在一個(gè)能見度值使其路徑損耗最小。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于蒙特卡洛方法的多次散射信道模型進(jìn)行研究,得到了多次散射情況下260 nm紫外光在大氣信道傳輸時(shí)的路徑損耗。通過仿真分析得知,收發(fā)系統(tǒng)幾何尺寸對(duì)路徑損耗具有一定的影響,為了降低路徑損耗,要求θT和θR盡量小,φR越大越好,由于φT相對(duì)影響較小,所以不做太多要求;其次,基于上述結(jié)論,選取最優(yōu)化的幾何尺寸參數(shù),分析了輻射霧環(huán)境下,對(duì)于不同的通信距離,路徑損耗和能見度的關(guān)系,結(jié)果表明,在通信距離及收發(fā)系統(tǒng)的幾何尺寸已知的情況下,存在一個(gè)能見度使紫外光路徑損耗最小,為實(shí)際鏈路的建立提供了一定的理論指導(dǎo)。

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Analysis of Non-Line-of-Sight Ultraviolet Light Multiple Scattering Path Losses in Fog Environment

GONG Jia-min,LI Chen,JIANG Xiao-bo,XU Jia-chi,YANG Meng,MENG Ling-he
(School of Electronics Engineering,Xi’an University of Posts and Telecommunications,Xi’an 710121,China)

Abstract:This paper simulates and analyzes the transmission characteristics of Non-Line-Of-Sight(NLOS)ultraviolet(UV) light in radiation fog environment on the basis of a multiple scattering model by using the Monte-Carlo method.Then it selects a UV light with a wavelength of 260 nm and analyzes the relationship between the path losses and geometric dimensions of UV in atmospheric transmission channels and the communication distances in radiation fog environment when visibility is given,obtaining the most optimized geometric parameters by simulation and analysis.Furthermore,it analyzes the relationship between the UV light path loss and the visibility in different communication distances.The results show that when the communication distance and the transceiver system geometric dimension parameters are known,there exists a value of visibility to enable the path loss of the UV light transmission to be the minimum.

Key words:NLOS;Monte-Carlo method;visibility;radiation fog

中圖分類號(hào):TN929.12

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1005-8788(2016)01-0067-04

收稿日期:2015-08-15

基金項(xiàng)目:西安郵電大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(CXL2014-31,CXL2014-05)

作者簡(jiǎn)介:鞏稼民(1962-),男,河南西平人。教授,博士,主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ偶夹g(shù)和非線性光學(xué)。

通信作者:李晨,碩士研究生。E-mail:litrouble2014@126.com

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.020