紫外光通信系統(tǒng)的能量密度分布研究

紫外通信主要采用中紫外波（200.280nm）作為傳輸手段。由于分子（）對(duì)該段的強(qiáng)吸收，在附近的太陽光譜中沒有紫外段，這是一種避免干擾紫外光源。與傳統(tǒng)通信方式相比,紫外光通信具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｃ苄愿?。由于大氣的?qiáng)吸收作用,系統(tǒng)輻射的紫外光通信信號(hào)強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減,這種強(qiáng)度衰減是距離的函數(shù)。因此,可根據(jù)通信距離的要求來調(diào)整系統(tǒng)的輻射功率,使其在通信范圍之外的輻射功率減至最小,提高傳輸保密性。(2)系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)。(3)可用于非視距通信。(4)無需ATP跟蹤。目前,國內(nèi)外信道模型研究主要采用Luettgen提出的非視距單散射信道模型,對(duì)特定角度下能量分布進(jìn)行了分析,但沒有進(jìn)行信道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳輸性能影響的研究。本文利用非視距單散射模型,對(duì)紫外光通信大氣信道模型進(jìn)行了研究。1交叉部分單散射的能量圖1所示為三種不同單對(duì)單傳輸系統(tǒng)模式。由圖可以看出,光信號(hào)只有通過發(fā)射仰角和接收仰角交叉部分的散射體散射后,才能到達(dá)接收機(jī)。光信號(hào)離開光源到達(dá)接收機(jī)的數(shù)量是由系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)和大氣散射因子(ks)、衰減因子(ke)決定的。幾何結(jié)構(gòu)主要包括光束孔徑角、發(fā)射機(jī)和探測接收機(jī)仰角以及傳輸距離等。其中,發(fā)射機(jī)和探測接收機(jī)的仰角分別為βT、βR(0≤βT、βR≤π);光束孔徑角為θR、θT(0≤θR≤π,0≤θT≤π/2);傳輸距離為r。探測接收機(jī)接收到的能量是通過計(jì)算位于交叉部分經(jīng)大氣散射光信號(hào)的數(shù)量得出的。本文通過非視距單散射模型計(jì)算探測接收機(jī)接收到的能量。假設(shè)發(fā)射機(jī)在t=0時(shí)刻,發(fā)射脈沖能量為QT;發(fā)射機(jī)固有圓錐角為?T=4πsin2(θT/2),則探測器接收到的式中ξ為徑向坐標(biāo);η為角坐標(biāo);φ為方位角坐標(biāo);P(θs)為單散射相位函數(shù);g[φ(ξ,η)]為有效散射信道容量。探測器接收到的總能量為:式中ξ=ct/r;tmin、tmax分別為到達(dá)交叉部分最小矢徑、最大矢徑的時(shí)間。對(duì)g[φ(ξ,η)]積分,得到交叉部分總散射體散射的能量。光源發(fā)射能量經(jīng)衰減后的能量與散射體散射能量的乘積在時(shí)間范圍內(nèi)積分,可得到探測器探測到的總能量。2同性散射體最大p在中紫外波段,λ=266nm時(shí),ks=0.157km-1;ke=1.23km-1;P(θS)=1(各向同性散射體)。選取QT=1mJ;脈沖寬度為10ns;探測天線直徑為0.2m。本文通過改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)βT、βR、θR、θT和傳輸距離r,研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳輸損耗L、延時(shí)τ、脈沖半寬展寬WP的影響。2.1接收孔徑角的影響取θT=15o,r=500m,θR在(1o,45o)范圍內(nèi)間隔1o變化。通過仿真可得出,損耗與接收孔徑角的關(guān)系如圖2(與圖1系統(tǒng)分別對(duì)應(yīng))所示。由圖2可得出:發(fā)射孔徑角固定時(shí),圖2c中損耗最小。即斜收發(fā)情況下,傳輸損耗最小,垂直收發(fā)損耗最大。接收孔徑角固定,改變發(fā)射孔徑角大小(考慮到實(shí)際系統(tǒng),θT一般取小于45o)時(shí),得到與前面相同的結(jié)論。βR、βT取不同值時(shí),仍可得到同樣的結(jié)論。理論上,根據(jù)非視距單散射模型、斜收發(fā)情況下,最小矢徑高度降低,信道容量增大,接收能量增加,損耗降低,與仿真結(jié)果吻合。因此在紫外光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,在保密通信距離內(nèi),應(yīng)采用斜收發(fā)的情況,減少系統(tǒng)傳輸損耗,降低對(duì)光源與探測器的要求。2.2接收孔徑角的影響仿真中,βT=βR=90o時(shí),取θR=15o,r=500m,θT在(1o,45o)內(nèi)間隔1o變化。通過仿真可得出損耗延時(shí)與接收孔徑角的關(guān)系如圖3所示,損耗與接收孔徑角的關(guān)系如圖4所示。由圖中可以得出:接收孔徑角固定,發(fā)射孔徑角增大時(shí),延時(shí)、損耗都在減小。發(fā)射孔徑角固定時(shí),接收孔徑角與延時(shí)、損耗關(guān)系相同。理論上,根據(jù)非視距單散射模型,當(dāng)發(fā)射與接收孔徑角增大時(shí),信道容量增大,最小矢徑值減小;信道容量增大時(shí),接收能量增大,損耗減少。延時(shí)與最小矢徑大小有關(guān),最小矢徑值減小時(shí),延時(shí)減小,與圖3、圖4的仿真結(jié)果相一致。因此,紫外光系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)選取大光束孔徑進(jìn)行傳輸,降低傳輸損耗,減小延時(shí)。2.3不同傳輸距離的仿真結(jié)果取θR=θT=15o,通過仿真可以得到距離與發(fā)射接收機(jī)仰角不同情況下,能量密度分布如圖5、圖6所示;傳輸距離與損耗、延時(shí)、脈沖半寬展寬關(guān)系如表1所示。通過仿真曲線和表格數(shù)據(jù)得出:隨著傳輸距離的增加,損耗、延時(shí)、脈沖半寬展寬都在增大。由式(1)可知,隨著傳輸距離的增大,能量衰減增大,最小矢徑值增大。能量衰減增大時(shí),損耗增大;最小矢徑值增大時(shí),延時(shí)增大,脈沖展寬加寬。與圖5、圖6和表1的仿真結(jié)果相吻合。從以上三個(gè)方面的仿真可以得出結(jié)論:為了減小系統(tǒng)的傳輸損耗,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,發(fā)射機(jī)和接收機(jī)應(yīng)采用斜收發(fā)(仰角取值均小于90o);光束孔徑角的選擇應(yīng)盡可能大,這樣將減少系統(tǒng)傳輸損耗和脈沖延時(shí),便于探測器接收;距離的增大,將增加傳輸損耗和脈沖延時(shí),在實(shí)際通信過程中應(yīng)根據(jù)不同的傳輸距離選取結(jié)構(gòu)參數(shù)。3信道模型仿真分析紫外光通信是一種新興的通信方式,它非常適合于近距離、地形復(fù)雜的保密通信,并且克服了無線通信易被監(jiān)聽的弱點(diǎn),大大減少了通信設(shè)備和線路的開設(shè)及拆除時(shí)間。本文通過仿真分析,對(duì)信道模型的幾個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行了研究,為實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù):(1)系統(tǒng)傳輸損耗通常在100dB以上,不同傳輸距離的通信,對(duì)應(yīng)的損耗值不同,因此實(shí)際通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)采用合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)達(dá)到傳輸目的。(2)脈