雾环境下非视距紫外光多次散射路径损耗分析

巩稼民,李晨,姜小波,徐嘉驰,杨萌,孟令贺

(西安邮电大学电子工程学院,西安 710121)



雾环境下非视距紫外光多次散射路径损耗分析

巩稼民,李晨,姜小波,徐嘉驰,杨萌,孟令贺

(西安邮电大学电子工程学院,西安 710121)

摘要:采用基于Monte-Carlo(蒙特卡洛)方法的多次散射模型对辐射雾环境下非视距紫外光通信传输特性进行模拟分析。选取波长为260 nm的紫外光,分析了在辐射雾环境中,当能见度给定时,紫外光在大气传输信道中的路径损耗与几何尺寸和通信距离的关系,通过仿真分析得到最优化的几何尺寸参数。分析了不同通信距离下,紫外光的路径损耗与能见度的关系。结果表明,在通信距离及收发系统几何尺寸参数已知的情况下,存在一个能见度的值使得紫外光传输的路径损耗最小。

关键词:非视距紫外光;蒙特卡洛方法;能见度;辐射雾

0　引 言

紫外光通信是一种新兴的无线通信方式,它采用“日盲”波段(200～280 nm)的深紫外光实现大气中的无线通信[1]。由于大气中的臭氧层会对位于日盲紫外波段的太阳光强烈吸收,因此在近地面的大气中采用紫外光波进行散射光通信有利于通信系统信噪比的提高;同时紫外光波段受大气的影响具有较强的散射特性,更加有利于信号的探测接收[2]。与传统无线通信技术相比,日盲非视距紫外光通信因具有区域保密性强、全方位全候性、无需跟踪瞄准和链路稳定可靠等优势[3],在军事领域备受重视并有很好的实用价值。

本文在研究雾天情况下折射率、物理特性以及雾滴粒子的谱分布特性的基础上,利用散射理论分析了雾滴粒子在紫外光(λ=260 nm)波段的散射特性,并建立了多次散射随机信道模型;分析了在辐射雾环境中能见度给定的情况下,紫外光通信收发系统几何尺寸的各个参数不同时,通信距离和路径损耗的关系,并得到最优化的几何尺寸参数;分析了辐射雾环境下路径损耗与通信距离、能见度之间的关系,对辐射雾环境下非视距日盲紫外光通信系统的设计及优化有一定的帮助。

1　雾滴粒子的分布特性

在水汽充足、微风及大气层稳定的情况下,当相对湿度达到100%时,空气中的水汽便会凝结成细微的水滴悬浮于空中,使地面水平能见度下降,这种天气现象称为雾。根据形成机理和地域,可以将雾分为辐射雾和平流雾两种。由于辐射雾的雾粒子半径通常小于10μm,而平流雾的雾粒子半径比辐射雾大,因此本文主要基于辐射雾条件进行分析。

按目标物的水平能见度距离,可将雾分为5个等级,如表1所示。

表1　雾的分类

雾滴的成分随雾凝集核的不同而略有不同,折射率也会有所不同,通常用纯水的折射率来计算雾的散射系数。本文选取波长为260 nm的紫外光,水滴对其复折射系数m=1.359+i×3.35× 10-8[4],利用能见度v与雾液态含水量的关系可以推出辐射雾和平流雾的尺寸分布[5]如下:

式中,r为雾滴粒子的半径。由于雾滴粒子的半径范围在1～10μm,而从超远紫外到红外波段范围为10 nm ～0.28μm,r/λ的值并不是足够大,所以雾滴粒子对于超远紫外直到红外波段的影响体现在米氏散射方面。利用米氏散射理论可知雾滴粒子总的衰减系数、散射系数和吸收系数的表达式[6]为

分析式(1)、(2),得到波长为260 nm的紫外光在辐射雾环境下散射系数与v的关系,如图1所示。

图1　辐射雾环境下散射系数与能见度v的关系

2　基于蒙特卡洛方法的多次散射信道模型的建立

假设紫外光子与雾滴粒子碰撞所发生的吸收或者散射事件是随机的,忽略紫外光子与大气中的分子、尘埃等粒子的碰撞,只考虑雾滴粒子对紫外光通信信道的影响,并且经历多次散射后,紫外光子的随机迁移方向以及能否被接收器接收到也是随机的。紫外光在大气中多次散射的路径如图2所示。

图2　多次散射路径示意图

由文献[7]可知,第n次散射后,光子在接收视场内到达接收器的概率为

式中,dΩ为散射点hn指向接收器底面的立体角微元;Ωn为被接收器底面观察到的所有散射点hn出发的散射方向所形成的立体角;Sn为Ωn所对应的Rx有效信号收集面积;p(cosθs)为散射相关函数。

光子从第n个散射点hn到Rx(记为位置h')处过程中的传输损耗可表示为[8]

式中,|hn-h'|为散射点到Rx的距离。

初始化光子权重为w0=1,记wn为第n次散射后光子的权重,则在散射点经过散射消光后光子权重为[8]由式(3)～(5)可得路径损耗(单位为dB)为

3　仿真结果分析

在雾环境下日盲非视距紫外光多次散射路径损耗的分析中,由于紫外光通信的路径损耗受收发系统几何尺寸的影响,因此本文在能见度已知的情况下,通过改变发射视场角φT、发射仰角θT、接收视场角φR和接收仰角θR中的任何一项参数,固定其他3项参数,研究路径损耗的变化。采用基于蒙特卡洛方法的多次散射模型,设非对称因子g=0.874,每次发射光子数为105个,接收孔径面半径为1 cm,能见度为0.5 km,通信距离为0～100 m。依次改变不同的几何尺寸参数,得到路径损耗随通信距离的变化如图3、图4所示。

图3　不同发射视场角、发射仰角情况下,路径损耗随通信距离的变化

图4　不同接收视场角、接收仰角情况下,路径损耗随通信距离的变化

图3(a)为固定θT=5°、φR=30°、θR=5°,改变φT 时,路径损耗的变化趋势图。可以看出,随着通信距离的增大,路径损耗迅速增大;随着φT的增加,路径损耗几乎没有变化。这是因为增加φT可以增大有效散射体积,但同时降低了接收端的接收能力。因此,φT对路径损耗几乎没有影响。

图3(b)为固定φT=30°、φR=30°、θR=5°,改变θT时,路径损耗的变化趋势图。可以看出,随着θT的增大,路径损耗逐渐增大。这是由于θT增大,导致散射角也增大,从而降低了光子被接收器接收到的概率,因此,在其他参数不变的情况下,θT要尽量小。

图4(a)为固定φT=30°、θT=5°、θR=5°,改变φR 时,路径损耗的变化趋势图。可以看出,随着φR的增大,路径损耗迅速减小。因为增加了接收视野,接收到的光子数自然就增多。可见,φR越大越好。

图4(b)为固定φT=30°、θT=5°、φR=30°,改变θR时,路径损耗的变化趋势图。可以看出,随着θR的增大,路径损耗逐渐增大,这与改变θT的现象及原因是一样的。因此,在其他3个参数固定的情况下,θR要尽量小。

通过上述仿真,可知在能见度固定的情况下,紫外光大气散射通信几何尺寸对大气信道传输路径损耗的影响,通过模型仿真,为了使路径损耗降低,得到了紫外光大气散射通信几何尺寸的最优化参数: 即φT=30°,θT=5°,φR=30°,θR=5°。以此为基础,继续分析已知几何尺寸参数的情况下,辐射雾环境下通信距离、能见度和路径损耗的关系。图5所示为辐射雾下通信距离分别为0.2、0.5、1和2 km时路径损耗与能见度之间的关系。

图5　通信距离不同时路径损耗与能见度v的关系

由图可以看出,在辐射雾情况下,当能见度v给定时,通信距离越短,其路径损耗越小;当通信距离给定时,v越大,其路径损耗变化趋势是先下降至一个最低点然后再慢慢变大,但变大的趋势不明显。当通信距离为0.2 km时,路径损耗在v为0.2 km达到最低点;当通信距离为0.5 km时,路径损耗在v为1.0 km达到最低点;当通信距离为1 km时,路径损耗在v为1.7 km达到最低点;当通信距离为2 km时,路径损耗在能见度选取的最大范围内没有出现最低点。

出现上述现象的原因是:在雾环境下,当能见度很小时,雾滴粒子的浓度会很大,这样大量的雾滴粒子会存在于紫外光的传输路径上,经过多次散射之后,到达接收端的紫外光子随之减少,因此传输信道的路径损耗会增大;反之,当能见度很大时,传输路径上的雾滴粒子会减少,由于雾滴粒子是光子散射的媒介,因此会使接收器接收到的光子数变少,从而导致路径损耗增大。所以会存在一个能见度值使其路径损耗最小。

4　结束语

本文对基于蒙特卡洛方法的多次散射信道模型进行研究,得到了多次散射情况下260 nm紫外光在大气信道传输时的路径损耗。通过仿真分析得知,收发系统几何尺寸对路径损耗具有一定的影响,为了降低路径损耗,要求θT和θR尽量小,φR越大越好,由于φT相对影响较小,所以不做太多要求;其次,基于上述结论,选取最优化的几何尺寸参数,分析了辐射雾环境下,对于不同的通信距离,路径损耗和能见度的关系,结果表明,在通信距离及收发系统的几何尺寸已知的情况下,存在一个能见度使紫外光路径损耗最小,为实际链路的建立提供了一定的理论指导。

参考文献:

[1] Xu Z,Sadle B M.Ultraviolet communications:potential and state-of-the-art[J].IEEE Communications Magazine,2008,46(5):67-73.

[2] 林勇,徐智勇,汪井源,等,雾环境下非视距散射光通信最佳链路分析[J].红外与激光工程,2015,44(2): 705-710.

[3] 赵太飞,何华,柯熙政.基于日盲紫外光LED的无线光通信性能研究[J].光电子·激光,2011,22(12): 1797-1801.

[4] Hale G M,Querry M R.Optical constants of water in the 200 nm to 200μm wavelength region[J].Appl Opt,1972,12(3):555-563.

[5] 王瑞.激光在雾媒质中的传播衰减特性研究[D].西安:西安电子科技大学,2007:5-15.

[6] 李浩,孙学金,唐丽萍.可见光和红外波段大气体散射强度特性[J].红外与毫米波学报,2011,30(4):328-332.

[7] 肖后飞.紫外光通信系统传输模型研究[D].北京:北京邮电大学,2014.

[8] DING H P,CHEN G,Sadler Brian M,et al.Modeling of Non-Line-of-Sight Ultraviolet Scattering Channels for Communication[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2009,27(9):1535-1544.

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

中图分类号:TN929.12

文献标志码:A

文章编号:1005-8788(2016)01-0067-04

收稿日期:2015-08-15

基金项目:西安邮电大学研究生创新基金资助项目(CXL2014-31,CXL2014-05)

作者简介:巩稼民(1962-),男,河南西平人。教授,博士,主要研究方向为光通信技术和非线性光学。

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

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.020