雾天气下温湿度变化对紫外光通信的影响

蔡媛敏,宋 鹏,刘 春

(西安工程大学 电子信息学院,陕西 西安 710048)

0 引 言

紫外光(UV)通信是一种基于“日盲”(波长为200～280 nm)波段,通过大气中的气体分子和气溶胶粒子为媒介进行散射传输的无线光通信方式[1-3]。与传统的通信方式相比,紫外光通信具有隐蔽性好、抗干扰能力强、全方位性、非直视(non-line-of-sight，NLOS)通信[4-6]等优点,在军事领域有较好的应用前景。

研究大气信道传输特性对紫外光通信有重要意义。路径损耗是评估通信质量的一项重要指标,分析不同环境及参数变化对路径损耗的影响，对于提高通信质量有一定的指导意义。文献[7]提出一种云散射模型,分析了收发端在不同几何参数设置条件下,3种不同类型的云滴粒子对系统路径损耗的影响;文献[8]研究了雾环境下,不同通信距离下系统路径损耗与能见度的关系,找到存在一个能见度使得路径损耗最小;文献[9]用拟合函数法得到散射系数和散射相函数,以此研究不同浓度下的雾和霾天气以及不同雾和霾粒径大小对紫外光通信路径损耗的影响,验证拟合函数代替复杂Mie计算的可行性;文献[10]研究了3种不同雾霾天气下雾霾严重程度变化对路径损耗的影响,并进行了户外实验验证对比,表明大气散射光通信可以克服天气条件的变化对信道传输特性造成的影响;文献[11]测试了4 km通信距离下NLOS 紫外光通信系统的路径损耗和脉冲响应信号,并与蒙特卡洛模型仿真结果进行对比,验证了远距离NLOS紫外通信信道特性。以上文献主要针对雾和霾天气条件下,无线光通信系统中的路径损耗问题展开研究。由于光子在传输过程中的散射和吸收作用,会对光的传输产生衰减作用,评估衰减影响在提高通信质量方面具有一定的指导意义。文献[12]详细分析了激光在雾中的衰减计算公式,并得出前向散射修正后的衰减公式,以此来分析雾对光衰减的影响;文献[13]研究了不同强度大气湍流对紫外光通信系统的信噪比和信号衰减的影响;文献[14]讨论了多次散射对激光在雾中传播衰减率的影响,提出了一种更符合实际应用的雾衰减模式;文献[15]分析了雾环境中3种不同波长激光在多次散射效应下接收屏、能见度和传输距离对透过率的影响;文献[16]研究了雾霾天气下不同形状的雾霾粒子对紫外光路径损耗的影响。上述文献的研究中,虽然研究了多种因素对雾和霾天气通信下的影响,但没有考虑温湿度的问题。

本文基于Mie散射理论和雾滴粒子的尺度分布函数,运用蒙特卡洛方法,仿真分析了雾天气条件下无线紫外光通信系统路径损耗与相对湿度的变化关系,分析了不同能见度、通信距离、环境温度对接收信号的影响。

1 基础理论

1.1 球形粒子Mie散射理论

雾粒子的半径范围在1～10 μm,而远远超过紫外光波段(200～280 nm)的范围,雾粒子半径与紫外光波长的比值足够大,因而选用经典Mie理论研究均匀介质球形粒子的散射问题。图1所示是球形粒子的Mie散射示意图。

图 1 Mie散射示意图Fig.1 Mie scattering diagram

图1中,入射光为自然光。假设点P为观测点,散射体位于坐标原点O,r为散射光观察点与散射体的距离,θ为散射角,散射光方向(OP方向)与入射光方向(z轴方向)组成的平面即为散射面为入射光振动面与散射面之间的夹角,称为方位角。

an，bn称为Mie系数[17],是折射率m和无因次颗粒粒径参量α的函数,其中无因次参量α=(2πa)/λ,a是球形颗粒的半径。an和bn分别可表示为

(1)

式中:ψn(z)和ζn(z)为半整数阶Bessel函数和第二类Hankel函数,则有

(2)

由an和bn的值,可以得到散射系数因子Qsca、吸收系数因子Qabs和消光系数因子Qext,可分别表示为

(3)

1.2 雾粒子尺度分布

雾粒子属于气溶胶范畴。对于雾粒子的尺度分布,目前比较常用的是伽马指数分布,即修正的Γ-分布描述,其表达式为[12]

n(r)=arαexp(-brβ)

(4)

该式表示半径为r的粒子在单位体积中气溶胶粒子的个数。

如果雾粒子α取值为2,β取值为1,a和b为确定雾粒子的尺寸分布参数,半径r(m)单位为m,则可表示为

(5)

式中：V为雾的能见度,km;W为含水量,g/m3。W为饱和湿空气含水量,和温度有关的变量;不同温度对应不同的W值,W的值可以通过查表得到。本文还将讨论与W相关的一个量即相对湿度WRH，即特定温度下空气中的含水量(W1)与该温度下的饱合含水量(W2)的比值,即

(6)

利用Mie散射理论可以分别得到雾滴粒子的总衰减系数、散射系数和吸收系数,表达式为[7]

(7)

式中:r1和r2为雾滴粒子半径的上下限;Qi分别为Qext,Qsca和Qabs，可由式(3)来确定,分别对应相应的消光系数Ke、散射系数Ks和吸收系数Ka。

1.3 紫外光散射传输信道

紫外光通信主要是通过大气传输过程中气溶胶等粒子对紫外光进行散射来实现。在实际通信过程中,接收端接收到的光子是雾滴粒子对入射紫外光进行单次和多次散射的共同作用的结果。本文选用NLOS紫外光多次散射传输模型,并用蒙特卡洛方法仿真实现。

NLOS紫外光通信链路模型如图2 所示。NLOS紫外光通信利用发射端发出的光锥与接收端视场锥体在空中形成公共散射体,发射端发出的光子经公共散射体散射后能绕过障碍物到达接收端,实现收发端之间的非直视通信[18]。

图 2 NLOS紫外光通信链路模型Fig. 2 NLOS UV communication model

在NLOS紫外光通信中,为了便于计算接收端接收到的光功率,通常将NLOS通信链路看作两段直视链路:即发射端到公共散射体和公共散射体到接收端。因此NLOS紫外光通信链路的接收光功率可以表示为[19]

(8)

式中:θt是发射端仰角;θr是接收端仰角;φ1和φ2分别是发射端发散角和接收端视场角;Ps是散射角θ的相函数;Ar是接收孔径面积;r为收发端之间的距离。

2 仿真结果与分析

形成雾的条件一是冷却,二是加湿,三是有凝结核。雾是千变万化的,但其本质都是由于空气中水汽遇冷凝结而成,雾多出现在近地面有稳定充沛的水汽,有逆温存在的夜间和清晨,所以秋冬季是雾的多发季节,春末夏初是雾的少发季节。秋冬持续强冷空气的入侵,使地面气温下降,形成强烈的锋面逆温层,从而促进了雾的发展与维持。按相对湿度的不同可将雾分为3类：一是相对湿度大于90%时引起大气混浊现象的高湿度雾；二是相对湿度介于 80%～90%之间时的中低湿度雾；三是相对湿度小于80%时的低湿度雾[20]。将相对湿度为70%确定为区分雾与霾的参考指标[21]，因此文中选择相对湿度为70%及以上，温度为10 ℃及以下的条件变化来研究雾天气条件下系统路径损耗与温湿度的关系。部分仿真参数设置如表1所示。

表 1 仿真参数设置Tab.1 Simulation parameter setting

2.1 相对湿度与散射系数、吸收系数的关系

散射系数和吸收系数是无线紫外光通信中非常关注的2个参数,散射系数表示大气中粒子把入射光散射到其他方向的能力, 紫外光通信是一种散射通信,散射越强对于通信越有益处;吸收系数则表示大气中粒子对光的衰减。根据秋冬季是雾的多发季节, 选择温度为 10 ℃ 时对应的饱和湿空气含水量W的值,依据式 (6)～(8), 分别计算并仿真了3种能见度 (100,250,500 m) 下, 对应的散射系数、吸收系数与相对湿度之间的关系如图3所示。

(a) 散射系数

(b) 吸收系数图 3 散射系数、吸收系数与相对湿度的关系Fig.3 Effect of different relative humidity on scattering coefficient and absorption coefficient

从图3可知,相对湿度不变的条件下,随着能见度的增大,粒子浓度减小,散射系数和吸收系数均减小,并且散射系数减小的幅度更大,该结论与文献[10]的结论一致。由图3可见,在能见度不变条件下,随着相对湿度的增大,散射系数和吸收系数均减小,并且能见度越小,减小的速度就越快。这是因为雾中能见度的大小是由粒子浓度和相对湿度决定的,能见度不变,相对湿度增大,粒子浓度相对减小,进而引起散射系数和吸收系数的减小,并且能见度越小,相对粒子浓度越大,粒子浓度受相对湿度的影响越大,散射系数和吸收系数变化的速率就越快。

2.2 湿度和路径损耗的关系

根据紫外光短距离通信的特点,仿真距离分别设定为500,250,100 m,气温设定为10 ℃。从图3可知，在能见度为500 m时，散射系数和吸收系数的变化最小，因此能见度设定为500 m,雾天气下路径损耗与相对湿度的关系如图4所示。

图 4 不同通信距离雾天气下路径损耗与相对湿度的关系Fig.4 Path loss and relative humidity in fog weather in different communication distances

从图4可知,当相对湿度固定时,通信距离越远路径损耗越大。当通信距离为500 m时,路径损耗随着相对湿度的增大,先减小后增大,在相对湿度为80%时取得最低值97.65 dB,在相对湿度为70%时路径损耗为99.03 dB,相对湿度为100%时路径损耗为99.08 dB,整体变化较小。当通信距离为100 m和250 m时,路径损耗随着相对湿度的增大而增大,并且通信距离为100 m时路径损耗的增幅更大,也就是说,能见度固定的条件下,通信距离越短系统路径损耗受相对湿度的影响越大。这是因为,如图3所示,能见度固定,相对湿度增大,散射系数和吸收系数均减小,但散射系数减少的幅度较大,公共散射体对紫外光的散射传输能力减弱,对NLOS通信而言相应路径损耗增大。

2.3 温度和路径损耗的关系

从图4可知，通信距离和能见度均为500 m时,相对湿度对路径损耗的影响相对较小,因此在讨论温度与路劲损耗的关系时,通信距离和能见度均设定为500 m。气温分别为 10,7,5,2 ℃,雾天气条件下NLOS链路路径损耗与相对湿度的关系如图5所示。

图 5 不同温度雾天气下路径损耗与相对湿度的关系Fig.5 Path loss and relative humidity in fog weather at different temperatures

从图5可知,在相对湿度相同条件下,温度越低路径损耗越大;温度相同条件下,路径损耗随着相对湿度的增大而减小,并且温度越低减小的速率越快。因为在相对湿度一定时,随着环境温度的降低,空气中雾滴粒子遇冷凝结,大气中的饱和水分含量降低,形成粒子半径更大的雾滴或不再以雾的形态存在,从而使得相对雾滴粒子浓度减小,大气传输过程中可供紫外光散射的粒子个数减少,路径损耗增大。

3 结 语

通过建立NLOS无线紫外光多次散射模型,根据Mie散射理论和雾滴粒子尺度分布函数,研究了雾天气条件下不同相对湿度和温度变化对路径损耗的影响。结果表明,在相对湿度不变的条件下,随着能见度的增大,粒子浓度减小,散射系数和吸收系数均减小。在能见度和环境温度不变的情况下,在通信距离为500 m及以下短距离通信时,随着相对湿度的增加,路径损耗的值变大;在能见度和通信距离固定的情况下,随着环境温度的降低,路径损耗的值增大。在雾环境下,温度较低时相对湿度增加,通信质量会有所改善。