直升机助降湍流信道中紫外光通信性能分析

赵太飞， 刘　园， 王　玉， 金　丹

(西安理工大学 自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048)



直升机助降湍流信道中紫外光通信性能分析

赵太飞， 刘园， 王玉， 金丹

(西安理工大学 自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048)

无线紫外光通信具有全天候、非直视、高可靠性的特点，可以实现复杂环境下的通信。利用直升机助降过程中的无线紫外光通信链路模型，研究了直升机助降场景中可能存在的水平通信、垂直通信和斜程通信，分析了大气湍流对无线紫外光通信信号强度概率密度函数方差的影响。计算机仿真结果表明：湍流强度对紫外光通信性能影响很大，随着通信距离、垂直高度差和收发仰角的增大，信号强度概率密度方差和能量衰减逐渐增大。

紫外光通信； 直升机助降； 大气湍流

近年来，随着直升机应用范围的不断扩大，如何解决其降落过程中突发状况导致的安全着陆问题变得尤为重要，因此直升机应急起降辅助技术成为新的研究热点[1]。紫外光引导直升机助降技术可以实现全天候、复杂环境、可靠性高的直升机起降，该技术是利用紫外光散射特性进行复杂环境下全天候通信的一种直升机应急安全保障手段，其非直视的工作特点能够更好的适应复杂的地理环境，因此，无线紫外光通信辅助起降技术在实际中得到了更广泛的应用。

大气湍流是影响紫外光通信效果的重要天气因素，文献[2]中提出一种全天候的无线紫外光辅助起降通信系统，以解决直升机起降过程中的飞机引导、信息获取、通信建立等重要问题。文献[3]给出了各种衰减的评估，给出了不同种类大气状况和系统参数的理论计算结果，认为湍流相对较强时，闪烁衰减随着距离的增加而增加。文献[4]在分析散射功率和随机湍流介质特性关系的基础上，建立了单次散射传播模型，分析了不同折射率结构和收发范围情况下非直视紫外光通信接收功率的依赖性。上述文章研究了无线紫外光辅助起降系统湍流情况下，闪烁衰减与距离的关系以及随机湍流介质下的单次散射模型，但都未对大气湍流对直升机助降的影响做出分析研究。因此，本文对直升机助降场景下的水平通信、垂直通信以及斜程通信方式中的紫外光通信性能进行研究，分析这三种通信方式下，大气湍流以及通信距离等因素对紫外光通信性能的影响。

1　直升机助降中的紫外光通信原理

1.1直升机助降中紫外光单次散射链路

在直升机助降系统使用过程中，发送端将其携带的传感器所测风力、风向及降落环境等地面信息发送给直升机，飞行员根据地面实际降落条件，操作直升机安全降落。将紫外光用于直升机助降时，由于收发端存在一定的高度差，故需要考虑大气湍流对通信性能的影响，本文主要研究不同通信场景下大气湍流对紫外光通信性能的影响。

图1　直升机助降下紫外光斜程通信几何链路Fig.1　UV slant path communication model in helicopter assisted landing

(1)

(2)

(3)

1.2大气折射率结构常数垂直分布

图2　大气折射率结构常数垂直分布Fig.2　Index of refraction structure parameter vertical distribution

大气湍流会引起接收信号的强度产生随机起伏，而信号强度的随机起伏会降低通信系统的可靠性，严重时甚至会引发通信中断。因此，为了有效减小湍流效应，改善系统性能，必须减弱信号强度起伏。

2　紫外光通信下的大气湍流模型

大气湍流对无线紫外光通信性能的影响非常大，大气湍流理论中信号强度分布模型均是建立在点对点直视链路基础上，对于紫外光非直视通信不能直接计算收发两端的信号强度分布，对此，可以将非直视通信过程看成两段直视链路通信，利用两个直视链路通信接续过程来计算接收端的信号强度分布。

紫外光单次散射通信模型如图3所示。其中发送端与接收端位于同一水平面上，φ1为发送端发散角，φ2为接收端视场角，δV为有效散射体的微分元。

图3　紫外光单次散射通信模型Fig.3　Ultraviolet single scattering link model

(5)

式中，Ar是有效接收孔径面积，Ks是散射系数，Ps是散射相函数，Ke是大气消光系数。

弱湍流情况下，紫外光的信号强度分布服从对数正态分布模型，其概率密度函数为[9]：

(6)

(7)

(8)

归一化信号强度分布概率密度函数可以采用对数正态分布模型计算，即[10]：

(9)

式中，〈I〉表示光强起伏均值，I/〈I〉表示归一化的信号强度。

从发送端到达有效散射体积(即路径1)的信号强度概率密度函数为:

(10)

从有效散射体到接收端(即路径2)的信号强度的条件概率密度函数为[10]：

(11)

则接收端信号强度的边缘分布概率密度函数为[8]：

f(ir2)=∫f(ir2|ir1)·f(ir1)d(ir1)

(12)

3　不同场景下通信的仿真性能分析

3.1水平通信和垂直通信

当大气湍流强度从10-16m-2/3增大到10-13m-2/3，收发端仰角θ1=θ2=60°时，紫外光通信中信号强度分布的概率密度函数如图4所示。图4(a)、图4(b)是水平通信下，r=200m时，不同大气湍流强度下的紫外光直视(line-of-sight，LOS)、非直视(non-line-of-sight，NLOS)通信；图4(c)、图4(d)是垂直通信下，h=100m时，不同大气湍流强度下的紫外光LOS、NLOS通信。

图4　不同大气湍流强度对紫外光通信的影响Fig.4　UV communication for varying turbulence intensities

图5　r′对紫外光通信的影响Fig.5　UV communication for varying r′

由图5(a)、(b)可知，水平通信下，当r为100m和200m时，信号强度概率密度函数方差较小，且信号能量衰减较小；r为500m和1000m时，信号强度概率密度函数方差较大；当r为1000m时，信号能量衰减很严重，即随着r的增大，信号能量衰减也逐渐增大。由图5(c)、(d)可知，垂直通信下，当湍流强度一定，相较h为100m和150m，h为30m和50m时，信号强度概率密度函数方差更小，能量衰减小，即随着h的增大，信号强度概率密度函数方差也逐渐变大，能量衰减增加。总体看来，r′的不断增大，使信号强度概率密度函数方差随之变大，信号能量衰减不断增加，从而使通信质量下降。两种通信方式下，LOS通信均比NLOS通信信号强度概率密度函数方差更小，信号能量衰减更小。

图6　不同角度对紫外光通信的影响Fig.6　UV communication for varying angles

3.2斜程通信

图7　r对紫外光通信的影响Fig.7　UV communication for varying r

由图7可知，LOS通信中，r为100m和150m时的信号强度概率密度函数方差较r为200m和300m时小；r从100m增大到300m过程中，信号能量衰减近一半，即随着r增大，信号强度概率密度函数分布越分散，方差越大，说明信号能量衰减也逐渐增大；r相同时，相比于LOS通信，采用NLOS通信时信号强度概率密度函数分布较为分散，能量衰减更为严重，更不利于通信。

图8　h对紫外光通信的影响Fig.8　UV communication for varying h

从图8中可以看出，随着收发端h的增大，信号强度概率密度函数方差逐渐增大，信号能量衰减逐渐增大，且NLOS通信相较于LOS通信信号能量衰减得更严重。主要原因是随着h的增大，湍流强度虽然大大减弱，但是h对信号强度的影响大于湍流强度对其的影响。

总体看来，斜程通信中湍流强度、垂直高度差h以及收发仰角均确定时，随着r的增大，信号强度概率密度函数分布越分散，即方差越大，说明能量衰减越大，进而导致通信质量下降；当水平距离r、收发仰角以及湍流强度确定时，信号能量衰减随着h的增大而增大，且h对通信的影响强于湍流。

4　实验数据比较

实验于2015年11月在西安理工大学操场进行，天气晴朗，实测风速为20m/s。在垂直通信、水平通信以及斜程通信三种情况下，利用六旋翼飞行器对紫外光接收功率与r′之间的关系进行测量，测量结果如图9所示。

从图9中可以看出，随着距离r′的增大，三种通信条件下，紫外光接收光功率整体均呈现减弱的趋势，即信号能量衰减不断增大；在r′小于20m时，接收光功率变化起伏，在r′大于20m时，接收光功率趋于线性减小；且r′对水平通信的影响最大，对斜程通信的影响次之，对垂直通信的影响最小。

5　结　语

本文利用无线紫外光散射通信的原理，分析了直升机助降下的通信链路和基于高度差的紫外光通信模型，讨论了直升机助降下可能存在的水平通信、垂直通信和斜程通信等方式，研究了紫外光通信在大气湍流信道下的信号强度分布概率密度函数，以及收发端距离对不同场景下紫外光通信信号强度分布的影响。最后实测了三种通信场景下，收发端距离对紫外光接收光功率的影响，结果表明，接收光功率随着收发端距离的增大呈减小的趋势，且通信质量随之下降。

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(责任编辑周蓓)

Performance analysis of ultraviolet communication in helicopter assisted landing

ZHAO Taifei, LIU Yuan, WANG Yu, JIN Dan

(School of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Ultraviolet (UV) communication has the characteristics of all-weather, non-line-of sight and high reliability, which can satisfy communication in complex environments. In this paper, using the helicopter assisted landing by wireless UV communication model, the research is conducted on the turbulence channel performance of different communication scenarios, including horizontal transmission, vertical transmission and slant path transmission. Finally, the variance of the probability density function of the received irradiance fluctuation with turbulence is analyzed. The computer simulation results show that turbulence has a great influence on the performance of UV communication. UV signal can hardly be received with strong turbulence. The variance of probability density function and energy attenuation increases, while the range, height difference, or transceiver elevation angle increases.

ultraviolet communication; helicopter assisted landing; atmospheric turbulence

1006-4710(2016)02-0163-06

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.02.006

2015-10-20

国家自然科学基金委员会-中国民航局民航联合研究基金资助项目(U1433110)；陕西省科技计划工业公关资助项目(2014K05-18)；陕西省教育厅产业化培育资助项目(2013JC09)；陕西省自然科学基础研究计划资助资助项目(2013JC2-15)；西安市科学计划资助项目(CXY1435(4))；西安市碑林区科技计划资助项目(GX1302)

赵太飞，男，副教授，博士，研究方向为紫外光通信和物联网。E-mail：zhaotaifei@163.com

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