霧環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

(西安郵電大學電子工程學院,西安 710121)

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霧環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

(西安郵電大學電子工程學院,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輻射霧環境下非視距紫外光通信傳輸特性進行模擬分析。選取波長為260 nm的紫外光,分析了在輻射霧環境中,當能見度給定時,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系,通過仿真分析得到最優化的幾何尺寸參數。分析了不同通信距離下,紫外光的路徑損耗與能見度的關系。結果表明,在通信距離及收發系統幾何尺寸參數已知的情況下,存在一個能見度的值使得紫外光傳輸的路徑損耗最小。

關鍵詞: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線通信方式,它采用“日盲”波段(200～280 nm)的深紫外光實現大氣中的無線通信[1]。由于大氣中的臭氧層會對位于日盲紫外波段的太陽光強烈吸收,因此在近地面的大氣中采用紫外光波進行散射光通信有利于通信系統信噪比的提高;同時紫外光波段受大氣的影響具有較強的散射特性,更加有利于信號的探測接收[2]。與傳統無線通信技術相比,日盲非視距紫外光通信因具有區域保密性強、全方位全候性、無需跟蹤瞄準和鏈路穩定可靠等優勢[3],在軍事領域備受重視并有很好的實用價值。

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信道模型;分析了在輻射霧環境中能見度給定的情況下,紫外光通信收發系統幾何尺寸的各個參數不同時,通信距離和路徑損耗的關系,并得到最優化的幾何尺寸參數;分析了輻射霧環境下路徑損耗與通信距離、能見度之間的關系,對輻射霧環境下非視距日盲紫外光通信系統的設計及優化有一定的幫助。

1　霧滴粒子的分布特性

在水汽充足、微風及大氣層穩定的情況下,當相對濕度達到100%時,空氣中的水汽便會凝結成細微的水滴懸浮于空中,使地面水平能見度下降,這種天氣現象稱為霧。根據形成機理和地域,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行分析。

按目標物的水平能見度距離,可將霧分為5個等級,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,折射率也會有所不同,通常用純水的折射率來計算霧的散射系數。本文選取波長為260 nm的紫外光,水滴對其復折射系數m=1.359+i×3.35× 10-8[4],利用能見度v與霧液態含水量的關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,所以霧滴粒子對于超遠紫外直到紅外波段的影響體現在米氏散射方面。利用米氏散射理論可知霧滴粒子總的衰減系數、散射系數和吸收系數的表達式[6]為

分析式(1)、(2),得到波長為260 nm的紫外光在輻射霧環境下散射系數與v的關系,如圖1所示。

圖1　輻射霧環境下散射系數與能見度v的關系

2　基于蒙特卡洛方法的多次散射信道模型的建立

假設紫外光子與霧滴粒子碰撞所發生的吸收或者散射事件是隨機的,忽略紫外光子與大氣中的分子、塵埃等粒子的碰撞,只考慮霧滴粒子對紫外光通信信道的影響,并且經歷多次散射后,紫外光子的隨機遷移方向以及能否被接收器接收到也是隨機的。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[7]可知,第n次散射后,光子在接收視場內到達接收器的概率為

式中,dΩ為散射點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hn出發的散射方向所形成的立體角;Sn為Ωn所對應的Rx有效信號收集面積;p(cosθs)為散射相關函數。

光子從第n個散射點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'|為散射點到Rx的距離。

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

3　仿真結果分析

在霧環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系統幾何尺寸的影響,因此本文在能見度已知的情況下,通過改變發射視場角φT、發射仰角θT、接收視場角φR和接收仰角θR中的任何一項參數,固定其他3項參數,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,設非對稱因子g=0.874,每次發射光子數為105個,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,得到路徑損耗隨通信距離的變化如圖3、圖4所示。

圖3　不同發射視場角、發射仰角情況下,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φT 時,路徑損耗的變化趨勢圖。可以看出,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。這是因為增加φT可以增大有效散射體積,但同時降低了接收端的接收能力。因此,φT對路徑損耗幾乎沒有影響。

圖3(b)為固定φT=30°、φR=30°、θR=5°,改變θT時,路徑損耗的變化趨勢圖。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φR 時,路徑損耗的變化趨勢圖。可以看出,隨著φR的增大,路徑損耗迅速減小。因為增加了接收視野,接收到的光子數自然就增多。可見,φR越大越好。

圖4(b)為固定φT=30°、θT=5°、φR=30°,改變θR時,路徑損耗的變化趨勢圖。可以看出,隨著θR的增大,路徑損耗逐漸增大,這與改變θT的現象及原因是一樣的。因此,在其他3個參數固定的情況下,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化參數: 即φT=30°,θT=5°,φR=30°,θR=5°。以此為基礎,繼續分析已知幾何尺寸參數的情況下,輻射霧環境下通信距離、能見度和路徑損耗的關系。圖5所示為輻射霧下通信距離分別為0.2、0.5、1和2 km時路徑損耗與能見度之間的關系。

圖5　通信距離不同時路徑損耗與能見度v的關系

由圖可以看出,在輻射霧情況下,當能見度v給定時,通信距離越短,其路徑損耗越小;當通信距離給定時,v越大,其路徑損耗變化趨勢是先下降至一個最低點然后再慢慢變大,但變大的趨勢不明顯。當通信距離為0.2 km時,路徑損耗在v為0.2 km達到最低點;當通信距離為0.5 km時,路徑損耗在v為1.0 km達到最低點;當通信距離為1 km時,路徑損耗在v為1.7 km達到最低點;當通信距離為2 km時,路徑損耗在能見度選取的最大范圍內沒有出現最低點。

出現上述現象的原因是:在霧環境下,當能見度很小時,霧滴粒子的濃度會很大,這樣大量的霧滴粒子會存在于紫外光的傳輸路徑上,經過多次散射之后,到達接收端的紫外光子隨之減少,因此傳輸信道的路徑損耗會增大;反之,當能見度很大時,傳輸路徑上的霧滴粒子會減少,由于霧滴粒子是光子散射的媒介,因此會使接收器接收到的光子數變少,從而導致路徑損耗增大。所以會存在一個能見度值使其路徑損耗最小。

4　結束語

本文對基于蒙特卡洛方法的多次散射信道模型進行研究,得到了多次散射情況下260 nm紫外光在大氣信道傳輸時的路徑損耗。通過仿真分析得知,收發系統幾何尺寸對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相對影響較小,所以不做太多要求;其次,基于上述結論,選取最優化的幾何尺寸參數,分析了輻射霧環境下,對于不同的通信距離,路徑損耗和能見度的關系,結果表明,在通信距離及收發系統的幾何尺寸已知的情況下,存在一個能見度使紫外光路徑損耗最小,為實際鏈路的建立提供了一定的理論指導。

參考文獻:

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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:TN929.12

文獻標志碼:A

文章編號:1005-8788(2016)01-0067-04

收稿日期:2015-08-15

基金項目:西安郵電大學研究生創新基金資助項目(CXL2014-31,CXL2014-05)

作者簡介:鞏稼民(1962-),男,河南西平人。教授,博士,主要研究方向為光通信技術和非線性光學。

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

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.020