霧天氣下溫濕度變化對紫外光通信的影響

蔡媛敏,宋 鵬,劉 春

(西安工程大學 電子信息學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

紫外光(UV)通信是一種基于“日盲”(波長為200～280 nm)波段,通過大氣中的氣體分子和氣溶膠粒子為媒介進行散射傳輸的無線光通信方式[1-3]。與傳統的通信方式相比,紫外光通信具有隱蔽性好、抗干擾能力強、全方位性、非直視(non-line-of-sight，NLOS)通信[4-6]等優點,在軍事領域有較好的應用前景。

研究大氣信道傳輸特性對紫外光通信有重要意義。路徑損耗是評估通信質量的一項重要指標,分析不同環境及參數變化對路徑損耗的影響，對于提高通信質量有一定的指導意義。文獻[7]提出一種云散射模型,分析了收發端在不同幾何參數設置條件下,3種不同類型的云滴粒子對系統路徑損耗的影響;文獻[8]研究了霧環境下,不同通信距離下系統路徑損耗與能見度的關系,找到存在一個能見度使得路徑損耗最小;文獻[9]用擬合函數法得到散射系數和散射相函數,以此研究不同濃度下的霧和霾天氣以及不同霧和霾粒徑大小對紫外光通信路徑損耗的影響,驗證擬合函數代替復雜Mie計算的可行性;文獻[10]研究了3種不同霧霾天氣下霧霾嚴重程度變化對路徑損耗的影響,并進行了戶外實驗驗證對比,表明大氣散射光通信可以克服天氣條件的變化對信道傳輸特性造成的影響;文獻[11]測試了4 km通信距離下NLOS 紫外光通信系統的路徑損耗和脈沖響應信號,并與蒙特卡洛模型仿真結果進行對比,驗證了遠距離NLOS紫外通信信道特性。以上文獻主要針對霧和霾天氣條件下,無線光通信系統中的路徑損耗問題展開研究。由于光子在傳輸過程中的散射和吸收作用,會對光的傳輸產生衰減作用,評估衰減影響在提高通信質量方面具有一定的指導意義。文獻[12]詳細分析了激光在霧中的衰減計算公式,并得出前向散射修正后的衰減公式,以此來分析霧對光衰減的影響;文獻[13]研究了不同強度大氣湍流對紫外光通信系統的信噪比和信號衰減的影響;文獻[14]討論了多次散射對激光在霧中傳播衰減率的影響,提出了一種更符合實際應用的霧衰減模式;文獻[15]分析了霧環境中3種不同波長激光在多次散射效應下接收屏、能見度和傳輸距離對透過率的影響;文獻[16]研究了霧霾天氣下不同形狀的霧霾粒子對紫外光路徑損耗的影響。上述文獻的研究中,雖然研究了多種因素對霧和霾天氣通信下的影響,但沒有考慮溫濕度的問題。

本文基于Mie散射理論和霧滴粒子的尺度分布函數,運用蒙特卡洛方法,仿真分析了霧天氣條件下無線紫外光通信系統路徑損耗與相對濕度的變化關系,分析了不同能見度、通信距離、環境溫度對接收信號的影響。

1 基礎理論

1.1 球形粒子Mie散射理論

霧粒子的半徑范圍在1～10 μm,而遠遠超過紫外光波段(200～280 nm)的范圍,霧粒子半徑與紫外光波長的比值足夠大,因而選用經典Mie理論研究均勻介質球形粒子的散射問題。圖1所示是球形粒子的Mie散射示意圖。

圖 1 Mie散射示意圖Fig.1 Mie scattering diagram

圖1中,入射光為自然光。假設點P為觀測點,散射體位于坐標原點O,r為散射光觀察點與散射體的距離,θ為散射角,散射光方向(OP方向)與入射光方向(z軸方向)組成的平面即為散射面為入射光振動面與散射面之間的夾角,稱為方位角。

an，bn稱為Mie系數[17],是折射率m和無因次顆粒粒徑參量α的函數,其中無因次參量α=(2πa)/λ,a是球形顆粒的半徑。an和bn分別可表示為

(1)

式中:ψn(z)和ζn(z)為半整數階Bessel函數和第二類Hankel函數,則有

(2)

由an和bn的值,可以得到散射系數因子Qsca、吸收系數因子Qabs和消光系數因子Qext,可分別表示為

(3)

1.2 霧粒子尺度分布

霧粒子屬于氣溶膠范疇。對于霧粒子的尺度分布,目前比較常用的是伽馬指數分布,即修正的Γ-分布描述,其表達式為[12]

n(r)=arαexp(-brβ)

(4)

該式表示半徑為r的粒子在單位體積中氣溶膠粒子的個數。

如果霧粒子α取值為2,β取值為1,a和b為確定霧粒子的尺寸分布參數,半徑r(m)單位為m,則可表示為

(5)

式中：V為霧的能見度,km;W為含水量,g/m3。W為飽和濕空氣含水量,和溫度有關的變量;不同溫度對應不同的W值,W的值可以通過查表得到。本文還將討論與W相關的一個量即相對濕度WRH，即特定溫度下空氣中的含水量(W1)與該溫度下的飽合含水量(W2)的比值,即

(6)

利用Mie散射理論可以分別得到霧滴粒子的總衰減系數、散射系數和吸收系數,表達式為[7]

(7)

式中:r1和r2為霧滴粒子半徑的上下限;Qi分別為Qext,Qsca和Qabs，可由式(3)來確定,分別對應相應的消光系數Ke、散射系數Ks和吸收系數Ka。

1.3 紫外光散射傳輸信道

紫外光通信主要是通過大氣傳輸過程中氣溶膠等粒子對紫外光進行散射來實現。在實際通信過程中,接收端接收到的光子是霧滴粒子對入射紫外光進行單次和多次散射的共同作用的結果。本文選用NLOS紫外光多次散射傳輸模型,并用蒙特卡洛方法仿真實現。

NLOS紫外光通信鏈路模型如圖2 所示。NLOS紫外光通信利用發射端發出的光錐與接收端視場錐體在空中形成公共散射體,發射端發出的光子經公共散射體散射后能繞過障礙物到達接收端,實現收發端之間的非直視通信[18]。

圖 2 NLOS紫外光通信鏈路模型Fig. 2 NLOS UV communication model

在NLOS紫外光通信中,為了便于計算接收端接收到的光功率,通常將NLOS通信鏈路看作兩段直視鏈路:即發射端到公共散射體和公共散射體到接收端。因此NLOS紫外光通信鏈路的接收光功率可以表示為[19]

(8)

式中:θt是發射端仰角;θr是接收端仰角;φ1和φ2分別是發射端發散角和接收端視場角;Ps是散射角θ的相函數;Ar是接收孔徑面積;r為收發端之間的距離。

2 仿真結果與分析

形成霧的條件一是冷卻,二是加濕,三是有凝結核。霧是千變萬化的,但其本質都是由于空氣中水汽遇冷凝結而成,霧多出現在近地面有穩定充沛的水汽,有逆溫存在的夜間和清晨,所以秋冬季是霧的多發季節,春末夏初是霧的少發季節。秋冬持續強冷空氣的入侵,使地面氣溫下降,形成強烈的鋒面逆溫層,從而促進了霧的發展與維持。按相對濕度的不同可將霧分為3類：一是相對濕度大于90%時引起大氣混濁現象的高濕度霧；二是相對濕度介于 80%～90%之間時的中低濕度霧；三是相對濕度小于80%時的低濕度霧[20]。將相對濕度為70%確定為區分霧與霾的參考指標[21]，因此文中選擇相對濕度為70%及以上，溫度為10 ℃及以下的條件變化來研究霧天氣條件下系統路徑損耗與溫濕度的關系。部分仿真參數設置如表1所示。

表 1 仿真參數設置Tab.1 Simulation parameter setting

2.1 相對濕度與散射系數、吸收系數的關系

散射系數和吸收系數是無線紫外光通信中非常關注的2個參數,散射系數表示大氣中粒子把入射光散射到其他方向的能力, 紫外光通信是一種散射通信,散射越強對于通信越有益處;吸收系數則表示大氣中粒子對光的衰減。根據秋冬季是霧的多發季節, 選擇溫度為 10 ℃ 時對應的飽和濕空氣含水量W的值,依據式 (6)～(8), 分別計算并仿真了3種能見度 (100,250,500 m) 下, 對應的散射系數、吸收系數與相對濕度之間的關系如圖3所示。

(a) 散射系數

(b) 吸收系數圖 3 散射系數、吸收系數與相對濕度的關系Fig.3 Effect of different relative humidity on scattering coefficient and absorption coefficient

從圖3可知,相對濕度不變的條件下,隨著能見度的增大,粒子濃度減小,散射系數和吸收系數均減小,并且散射系數減小的幅度更大,該結論與文獻[10]的結論一致。由圖3可見,在能見度不變條件下,隨著相對濕度的增大,散射系數和吸收系數均減小,并且能見度越小,減小的速度就越快。這是因為霧中能見度的大小是由粒子濃度和相對濕度決定的,能見度不變,相對濕度增大,粒子濃度相對減小,進而引起散射系數和吸收系數的減小,并且能見度越小,相對粒子濃度越大,粒子濃度受相對濕度的影響越大,散射系數和吸收系數變化的速率就越快。

2.2 濕度和路徑損耗的關系

根據紫外光短距離通信的特點,仿真距離分別設定為500,250,100 m,氣溫設定為10 ℃。從圖3可知，在能見度為500 m時，散射系數和吸收系數的變化最小，因此能見度設定為500 m,霧天氣下路徑損耗與相對濕度的關系如圖4所示。

圖 4 不同通信距離霧天氣下路徑損耗與相對濕度的關系Fig.4 Path loss and relative humidity in fog weather in different communication distances

從圖4可知,當相對濕度固定時,通信距離越遠路徑損耗越大。當通信距離為500 m時,路徑損耗隨著相對濕度的增大,先減小后增大,在相對濕度為80%時取得最低值97.65 dB,在相對濕度為70%時路徑損耗為99.03 dB,相對濕度為100%時路徑損耗為99.08 dB,整體變化較小。當通信距離為100 m和250 m時,路徑損耗隨著相對濕度的增大而增大,并且通信距離為100 m時路徑損耗的增幅更大,也就是說,能見度固定的條件下,通信距離越短系統路徑損耗受相對濕度的影響越大。這是因為,如圖3所示,能見度固定,相對濕度增大,散射系數和吸收系數均減小,但散射系數減少的幅度較大,公共散射體對紫外光的散射傳輸能力減弱,對NLOS通信而言相應路徑損耗增大。

2.3 溫度和路徑損耗的關系

從圖4可知，通信距離和能見度均為500 m時,相對濕度對路徑損耗的影響相對較小,因此在討論溫度與路勁損耗的關系時,通信距離和能見度均設定為500 m。氣溫分別為 10,7,5,2 ℃,霧天氣條件下NLOS鏈路路徑損耗與相對濕度的關系如圖5所示。

圖 5 不同溫度霧天氣下路徑損耗與相對濕度的關系Fig.5 Path loss and relative humidity in fog weather at different temperatures

從圖5可知,在相對濕度相同條件下,溫度越低路徑損耗越大;溫度相同條件下,路徑損耗隨著相對濕度的增大而減小,并且溫度越低減小的速率越快。因為在相對濕度一定時,隨著環境溫度的降低,空氣中霧滴粒子遇冷凝結,大氣中的飽和水分含量降低,形成粒子半徑更大的霧滴或不再以霧的形態存在,從而使得相對霧滴粒子濃度減小,大氣傳輸過程中可供紫外光散射的粒子個數減少,路徑損耗增大。

3 結 語

通過建立NLOS無線紫外光多次散射模型,根據Mie散射理論和霧滴粒子尺度分布函數,研究了霧天氣條件下不同相對濕度和溫度變化對路徑損耗的影響。結果表明,在相對濕度不變的條件下,隨著能見度的增大,粒子濃度減小,散射系數和吸收系數均減小。在能見度和環境溫度不變的情況下,在通信距離為500 m及以下短距離通信時,隨著相對濕度的增加,路徑損耗的值變大;在能見度和通信距離固定的情況下,隨著環境溫度的降低,路徑損耗的值增大。在霧環境下,溫度較低時相對濕度增加,通信質量會有所改善。