大氣散射對(duì)非視距紫外光通信系統(tǒng)性能的多維影響與優(yōu)化策略研究一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)通信系統(tǒng)的性能和應(yīng)用場(chǎng)景提出了更高的要求。紫外光通信作為一種新型的無線光通信技術(shù)，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在近年來受到了廣泛關(guān)注。尤其是非視距紫外光通信系統(tǒng)，能夠在發(fā)射端和接收端之間存在障礙物的情況下實(shí)現(xiàn)通信，為復(fù)雜環(huán)境下的通信提供了新的解決方案。非視距紫外光通信系統(tǒng)利用波長(zhǎng)在200-280nm的日盲區(qū)紫外光進(jìn)行通信。這個(gè)波段的紫外光具有特殊的物理性質(zhì)，一方面，大氣層中的臭氧對(duì)其有強(qiáng)烈的吸收作用，使得到達(dá)地面的日盲區(qū)紫外光輻射在海平面附近幾乎衰減為零，這大大降低了背景噪聲的干擾；另一方面，地球表面的日盲區(qū)紫外光被大氣強(qiáng)烈散射，使得紫外光能夠繞過障礙物進(jìn)行傳播，實(shí)現(xiàn)非視距通信。這種特性使得非視距紫外光通信系統(tǒng)在復(fù)雜地形環(huán)境、城市峽谷、室內(nèi)遮擋等場(chǎng)景下具有巨大的應(yīng)用潛力。例如，在軍事領(lǐng)域，它可以用于特種作戰(zhàn)、巷戰(zhàn)等場(chǎng)景下的隱蔽通信，提高作戰(zhàn)的保密性和靈活性；在應(yīng)急救援領(lǐng)域，當(dāng)傳統(tǒng)通信手段因自然災(zāi)害等原因失效時(shí)，非視距紫外光通信系統(tǒng)能夠迅速搭建起通信鏈路，為救援工作提供關(guān)鍵的通信支持；在智能交通領(lǐng)域，可用于車輛間的短距離通信，實(shí)現(xiàn)信息的快速交互，提高交通效率和安全性。大氣作為非視距紫外光通信的傳輸介質(zhì)，其散射特性對(duì)通信系統(tǒng)性能有著至關(guān)重要的影響。大氣中的分子和氣溶膠粒子會(huì)對(duì)紫外光產(chǎn)生散射作用，改變紫外光的傳播方向和強(qiáng)度。散射過程會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的衰減、畸變以及多徑效應(yīng)等問題。信號(hào)衰減會(huì)使接收端接收到的光功率降低，從而影響通信的可靠性；信號(hào)畸變可能導(dǎo)致信號(hào)失真，增加誤碼率；多徑效應(yīng)則會(huì)使信號(hào)在不同路徑上傳播后到達(dá)接收端的時(shí)間不同，產(chǎn)生碼間干擾，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。在城市環(huán)境中，大氣中的氣溶膠粒子濃度較高，散射作用更為顯著，這會(huì)導(dǎo)致非視距紫外光通信系統(tǒng)的傳輸距離縮短、通信速率降低以及誤碼率增加。因此，深入研究大氣散射對(duì)非視距紫外光通信系統(tǒng)性能的影響，對(duì)于優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、提高通信質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過研究，可以更好地理解大氣散射的物理機(jī)制，建立準(zhǔn)確的信道模型，為通信系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)和性能評(píng)估提供理論依據(jù)。同時(shí)，針對(duì)大氣散射帶來的影響，可以提出相應(yīng)的補(bǔ)償和優(yōu)化措施，如采用分集接收技術(shù)、信道編碼技術(shù)等，提高系統(tǒng)的抗干擾能力和通信可靠性，從而推動(dòng)非視距紫外光通信技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)紫外光通信技術(shù)的研究起步較早，在大氣散射對(duì)非視距紫外光通信系統(tǒng)性能影響方面取得了一系列重要成果。早在1960年，美國(guó)海軍就率先開啟了紫外光通信的研究工作，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。1968年，麻省理工學(xué)院的S.E.Sunstein在其學(xué)術(shù)論文中展示了關(guān)于紫外光通信系統(tǒng)的具體實(shí)驗(yàn)，深入研究了26公里范圍內(nèi)基于大氣散射效應(yīng)的紫外光通信鏈路模型，實(shí)驗(yàn)采用大功率氙燈作為紫外光源，光電倍增管作為光電探測(cè)器，為理解大氣散射在紫外光通信中的作用提供了早期的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。Reilly緊隨其后，對(duì)波長(zhǎng)在200-300nm范圍內(nèi)的紫外光的大氣散射模型展開研究，進(jìn)一步豐富了對(duì)該波段紫外光散射特性的認(rèn)識(shí)。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，相關(guān)研究更加深入和全面。美國(guó)麻省理工大學(xué)林肯實(shí)驗(yàn)室在2004年采用274nm的紫外LED作為光源，將240支紫外LED做成陣列進(jìn)行非直視通信實(shí)驗(yàn)，在100米的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了200bit/s的通信速率。該實(shí)驗(yàn)不僅驗(yàn)證了紫外LED在非視距通信中的可行性，也為研究大氣散射對(duì)通信速率的影響提供了實(shí)踐案例。通過對(duì)不同距離下通信速率的測(cè)試和分析，發(fā)現(xiàn)隨著距離的增加，由于大氣散射導(dǎo)致的信號(hào)衰減和多徑效應(yīng)加劇，通信速率逐漸下降。近年來，國(guó)外學(xué)者在理論研究方面也取得了顯著進(jìn)展。一些研究運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)值模擬方法，如蒙特卡羅方法，對(duì)大氣散射過程進(jìn)行精確建模。通過模擬不同大氣條件下，如不同氣溶膠濃度、濕度等，紫外光的散射路徑和強(qiáng)度變化，深入分析大氣散射對(duì)信號(hào)傳輸特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在氣溶膠濃度較高的環(huán)境中，散射導(dǎo)致的信號(hào)衰減更為嚴(yán)重，信號(hào)的畸變和多徑效應(yīng)也更加明顯，這會(huì)顯著降低通信系統(tǒng)的可靠性和通信質(zhì)量。此外，在實(shí)驗(yàn)研究方面，不斷有新的實(shí)驗(yàn)成果涌現(xiàn)。通過搭建更為復(fù)雜和精確的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬各種實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，如城市環(huán)境、山區(qū)環(huán)境等，進(jìn)一步驗(yàn)證和完善理論模型。在城市環(huán)境的模擬實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)建筑物等障礙物對(duì)大氣散射和信號(hào)傳播有復(fù)雜的影響，會(huì)改變散射光的分布和信號(hào)的傳輸路徑，從而影響通信性能。國(guó)內(nèi)在紫外光通信領(lǐng)域的研究起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速。早期主要集中在對(duì)紫外光通信基本原理和技術(shù)的探索上。隨著對(duì)該技術(shù)研究的重視程度不斷提高，國(guó)內(nèi)高校和科研機(jī)構(gòu)在大氣散射對(duì)非視距紫外光通信系統(tǒng)性能影響方面也開展了大量研究工作。解放軍后勤工程學(xué)院的汪俊良、羅挺、劉洪娟等人根據(jù)Mie散射理論在Matlab環(huán)境下對(duì)紫外光非視距大氣信道進(jìn)行了模擬，深入分析了典型參數(shù)大氣粒子對(duì)紫外光通信散射效率因子、特征圖像和散射光偏振度的影響。研究結(jié)果表明，散射效率因子呈現(xiàn)出阻尼振蕩的收斂形式，紫外光散射受到氣溶膠的大小、折射率和吸收特性的顯著影響，并且在85°-120°方向上散射光的偏振度最大。這些研究成果為國(guó)內(nèi)紫外光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要的理論參考。北京理工大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等高校在該領(lǐng)域也進(jìn)行了深入研究。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，研究大氣散射對(duì)非視距紫外光通信系統(tǒng)的誤碼率、傳輸距離等性能指標(biāo)的影響。在誤碼率研究方面，發(fā)現(xiàn)大氣散射導(dǎo)致的信號(hào)衰落和干擾會(huì)使誤碼率隨傳輸距離的增加而迅速上升。通過對(duì)不同調(diào)制方式下誤碼率的對(duì)比分析，提出了適合非視距紫外光通信的調(diào)制解調(diào)方案，以降低誤碼率，提高通信質(zhì)量。在傳輸距離研究方面，綜合考慮大氣散射、吸收以及系統(tǒng)發(fā)射功率、接收靈敏度等因素，建立了傳輸距離預(yù)測(cè)模型，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和修正。研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中，通過優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)和采用適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理技術(shù)，可以在一定程度上延長(zhǎng)傳輸距離，提高通信系統(tǒng)的性能。總體而言，國(guó)內(nèi)外在大氣散射對(duì)非視距紫外光通信系統(tǒng)性能影響的研究上已經(jīng)取得了豐碩成果，但仍存在一些問題和挑戰(zhàn)有待進(jìn)一步研究和解決。例如，在復(fù)雜多變的實(shí)際大氣環(huán)境中，如何建立更加準(zhǔn)確和通用的信道模型，以更精確地預(yù)測(cè)和評(píng)估通信系統(tǒng)性能；如何進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗散射干擾能力，實(shí)現(xiàn)更高通信速率和更遠(yuǎn)傳輸距離的可靠通信等。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究旨在深入剖析大氣散射對(duì)非視距紫外光通信系統(tǒng)性能的影響，通過理論分析、仿真模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，全面揭示大氣散射作用下非視距紫外光通信系統(tǒng)的性能變化規(guī)律，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論與實(shí)踐依據(jù)。具體研究?jī)?nèi)容與方法如下：1.3.1研究?jī)?nèi)容大氣散射理論分析：全面梳理并深入研究大氣散射的相關(guān)理論，包括瑞利散射理論和米氏散射理論。瑞利散射主要由大氣中的氣體分子引起，當(dāng)光的波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于散射粒子的尺寸時(shí)，瑞利散射起主導(dǎo)作用，其散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的四次方成反比，這意味著短波長(zhǎng)的光更容易發(fā)生瑞利散射。米氏散射則主要由大氣中的氣溶膠粒子引起，當(dāng)散射粒子的尺寸與光的波長(zhǎng)相近時(shí)，米氏散射起主導(dǎo)作用，米氏散射的強(qiáng)度和散射光的分布與粒子的大小、形狀、折射率以及光的波長(zhǎng)等因素密切相關(guān)。通過對(duì)這些理論的深入研究，明確不同散射機(jī)制在非視距紫外光通信中的作用范圍和影響程度，為后續(xù)的研究奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。分析大氣分子和氣溶膠粒子的散射特性，如散射截面、散射相函數(shù)等，這些特性參數(shù)直接決定了散射光的強(qiáng)度、方向和偏振狀態(tài)等，對(duì)理解大氣散射過程和通信系統(tǒng)性能具有重要意義。研究大氣散射對(duì)紫外光傳輸特性的影響，包括信號(hào)衰減、散射光的偏振特性以及多徑效應(yīng)等。信號(hào)衰減會(huì)導(dǎo)致接收端光功率降低，影響通信的可靠性；散射光的偏振特性會(huì)改變光的偏振態(tài)，對(duì)信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)產(chǎn)生影響；多徑效應(yīng)則會(huì)使信號(hào)在不同路徑上傳播后到達(dá)接收端的時(shí)間不同，產(chǎn)生碼間干擾，降低通信質(zhì)量。非視距紫外光通信系統(tǒng)性能指標(biāo)分析：確定非視距紫外光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)，如誤碼率、傳輸距離、通信速率等。誤碼率是衡量通信系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)，它反映了接收端接收到的錯(cuò)誤碼元數(shù)量與總碼元數(shù)量的比例；傳輸距離直接決定了通信系統(tǒng)的覆蓋范圍；通信速率則決定了單位時(shí)間內(nèi)能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。研究大氣散射對(duì)這些性能指標(biāo)的具體影響機(jī)制。大氣散射導(dǎo)致的信號(hào)衰減會(huì)使接收端的光功率降低，當(dāng)光功率低于一定閾值時(shí)，誤碼率會(huì)急劇增加；多徑效應(yīng)會(huì)使信號(hào)發(fā)生畸變，增加誤碼率，同時(shí)也會(huì)限制通信速率的提高；散射引起的信號(hào)衰落會(huì)導(dǎo)致傳輸距離受限。通過對(duì)這些影響機(jī)制的深入研究，為優(yōu)化系統(tǒng)性能提供理論依據(jù)。建立大氣散射條件下非視距紫外光通信系統(tǒng)性能指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型?；诖髿馍⑸淅碚摵屯ㄐ畔到y(tǒng)原理，考慮大氣分子和氣溶膠粒子的散射特性、信號(hào)傳輸過程中的衰減和畸變等因素，建立誤碼率、傳輸距離和通信速率等性能指標(biāo)與系統(tǒng)參數(shù)（如發(fā)射功率、接收靈敏度、調(diào)制方式等）以及大氣參數(shù)（如氣溶膠濃度、大氣能見度等）之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，為系統(tǒng)性能的預(yù)測(cè)和分析提供量化工具。基于蒙特卡羅方法的仿真研究：運(yùn)用蒙特卡羅方法對(duì)大氣散射過程進(jìn)行精確建模。蒙特卡羅方法是一種基于概率統(tǒng)計(jì)的數(shù)值模擬方法，通過大量的隨機(jī)抽樣來模擬復(fù)雜的物理過程。在大氣散射模擬中，將紫外光的傳播路徑視為一系列的隨機(jī)散射事件，根據(jù)散射理論和散射特性參數(shù)，隨機(jī)確定每次散射的方向、強(qiáng)度和位置等，從而模擬出紫外光在大氣中的散射傳播過程。利用建立的蒙特卡羅模型，仿真不同大氣條件下（如不同氣溶膠濃度、濕度、溫度等）非視距紫外光通信系統(tǒng)的性能。通過改變模型中的大氣參數(shù)，模擬不同的實(shí)際大氣環(huán)境，觀察系統(tǒng)性能指標(biāo)（誤碼率、傳輸距離、通信速率等）的變化情況，分析大氣條件對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。對(duì)比不同大氣條件下的仿真結(jié)果，總結(jié)大氣散射對(duì)非視距紫外光通信系統(tǒng)性能的影響特點(diǎn)。例如，在氣溶膠濃度較高的環(huán)境中，散射導(dǎo)致的信號(hào)衰減更為嚴(yán)重，誤碼率更高，傳輸距離更短；在濕度較大的環(huán)境中，可能會(huì)導(dǎo)致氣溶膠粒子的吸濕增長(zhǎng)，進(jìn)一步影響散射特性和通信系統(tǒng)性能。通過對(duì)這些影響特點(diǎn)的總結(jié)，為實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能評(píng)估提供參考。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：搭建非視距紫外光通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括紫外光源、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)、接收光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器以及信號(hào)處理單元等。選擇合適的紫外光源，如紫外LED或紫外激光器，確保其波長(zhǎng)在日盲區(qū)范圍內(nèi)，具有穩(wěn)定的輸出功率和良好的光譜特性；設(shè)計(jì)合理的發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外光的高效發(fā)射和接收；選用高靈敏度、低噪聲的光電探測(cè)器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；構(gòu)建信號(hào)處理單元，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、解調(diào)等處理，恢復(fù)出原始的通信信號(hào)。在不同大氣環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量系統(tǒng)的性能指標(biāo)，如誤碼率、傳輸距離、通信速率等。選擇具有代表性的大氣環(huán)境，如城市環(huán)境、郊區(qū)環(huán)境、山區(qū)環(huán)境等，在這些環(huán)境中設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)條件，如不同的通信距離、發(fā)射功率等，測(cè)量系統(tǒng)在各種條件下的性能指標(biāo)，獲取實(shí)際的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，分析差異原因，進(jìn)一步完善理論模型和仿真方法。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和仿真結(jié)果存在差異，深入分析可能的原因，如實(shí)驗(yàn)環(huán)境的不確定性、測(cè)量誤差、理論模型的簡(jiǎn)化等，通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法、優(yōu)化理論模型等方式，使理論分析和仿真結(jié)果更加接近實(shí)際情況，提高研究的準(zhǔn)確性和可靠性。1.3.2研究方法理論分析方法：查閱大量國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，對(duì)大氣散射理論、非視距紫外光通信系統(tǒng)原理以及通信系統(tǒng)性能評(píng)估方法等進(jìn)行深入研究和總結(jié)。收集和整理關(guān)于瑞利散射、米氏散射的經(jīng)典文獻(xiàn)，了解其理論發(fā)展歷程和應(yīng)用范圍；研究非視距紫外光通信系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、工作原理和信號(hào)傳輸過程；學(xué)習(xí)通信系統(tǒng)性能評(píng)估的常用指標(biāo)和計(jì)算方法。運(yùn)用數(shù)學(xué)推導(dǎo)和分析的方法，建立大氣散射對(duì)非視距紫外光通信系統(tǒng)性能影響的理論模型。根據(jù)大氣散射理論和通信系統(tǒng)原理，結(jié)合相關(guān)的數(shù)學(xué)物理知識(shí)，推導(dǎo)信號(hào)在大氣中傳輸時(shí)的衰減公式、散射光的分布函數(shù)以及誤碼率的計(jì)算表達(dá)式等，建立系統(tǒng)性能與大氣參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，為系統(tǒng)性能的分析和預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。仿真模擬方法：使用專業(yè)的仿真軟件，如MATLAB、OptiSystem等，基于蒙特卡羅方法開發(fā)大氣散射和非視距紫外光通信系統(tǒng)性能仿真模型。在MATLAB環(huán)境中，利用其強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算和繪圖功能，編寫蒙特卡羅模擬程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣散射過程和通信系統(tǒng)性能的仿真；OptiSystem軟件則提供了豐富的光學(xué)和通信元件模型庫，可以方便地搭建非視距紫外光通信系統(tǒng)的仿真平臺(tái)，模擬信號(hào)在系統(tǒng)中的傳輸和處理過程。通過設(shè)置不同的仿真參數(shù)，模擬各種實(shí)際場(chǎng)景下大氣散射對(duì)非視距紫外光通信系統(tǒng)性能的影響，分析仿真結(jié)果，總結(jié)規(guī)律。在仿真模型中，設(shè)置不同的大氣參數(shù)（如氣溶膠濃度、大氣能見度等）、系統(tǒng)參數(shù)（如發(fā)射功率、接收靈敏度、調(diào)制方式等）以及通信場(chǎng)景（如不同的通信距離、地形環(huán)境等），進(jìn)行多次仿真實(shí)驗(yàn)，獲取大量的仿真數(shù)據(jù)。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，總結(jié)大氣散射對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。實(shí)驗(yàn)研究方法：按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)搭建非視距紫外光通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，確保實(shí)驗(yàn)設(shè)備的準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)紫外光源、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)、接收光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器以及信號(hào)處理單元等設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)試和校準(zhǔn)，保證其性能符合實(shí)驗(yàn)要求；選擇合適的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，盡量減少外界干擾因素的影響。在不同的大氣環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括接收光功率、誤碼率、通信速率等。在實(shí)驗(yàn)過程中，使用專業(yè)的測(cè)量?jī)x器對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，如使用光功率計(jì)測(cè)量接收光功率，使用誤碼儀測(cè)量誤碼率等；按照預(yù)定的實(shí)驗(yàn)方案，改變實(shí)驗(yàn)條件，如調(diào)整通信距離、發(fā)射功率、大氣環(huán)境等，獲取不同條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，驗(yàn)證理論分析和仿真結(jié)果的正確性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)新的問題和現(xiàn)象，為進(jìn)一步的研究提供方向。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性；將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證理論模型和仿真方法的有效性；對(duì)于實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)或新的現(xiàn)象，進(jìn)行深入研究和分析，探索其背后的物理機(jī)制，為完善理論和仿真提供依據(jù)。二、大氣散射與非視距紫外光通信系統(tǒng)原理2.1大氣散射原理與類型大氣散射是指當(dāng)光在大氣中傳播時(shí)，遇到大氣分子、氣溶膠粒子等微小顆粒，光波會(huì)與這些粒子相互作用，導(dǎo)致光的傳播方向發(fā)生改變，向不同方向散射的現(xiàn)象。這種散射現(xiàn)象是由大氣中粒子的存在以及光的波動(dòng)性所決定的。大氣散射在許多領(lǐng)域都有著重要的影響，在氣象學(xué)中，它影響著天空的顏色、日出日落的色彩以及大氣能見度等；在光學(xué)通信領(lǐng)域，它對(duì)光信號(hào)的傳輸有著關(guān)鍵作用。根據(jù)散射粒子的大小以及與光波長(zhǎng)的相對(duì)關(guān)系，大氣散射主要分為瑞利散射、米氏散射和無選擇性散射三種類型。這三種散射類型在不同的大氣條件下發(fā)揮著不同的作用，對(duì)光在大氣中的傳播特性產(chǎn)生著各自獨(dú)特的影響，進(jìn)而影響著非視距紫外光通信系統(tǒng)的性能。2.1.1瑞利散射瑞利散射是當(dāng)粒子尺度遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng)（通常小于波長(zhǎng)的十分之一）時(shí)發(fā)生的一種散射現(xiàn)象，又稱“分子散射”。其原理基于經(jīng)典電磁理論，當(dāng)光波入射到分子上時(shí)，由于分子大小遠(yuǎn)小于光波波長(zhǎng)，光波在分子上發(fā)生衍射，衍射后的光波在分子表面發(fā)生反射，形成球面波，球面波在傳播過程中，由于分子密度不均勻，光波發(fā)生折射，折射后的光波再次發(fā)生衍射，最終偏離原來方向，形成散射光。瑞利散射光的強(qiáng)度與入射光波長(zhǎng)的四次方成反比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：I(\\lambda)_{scattering}=\\frac{I(\\lambda)_{incident}}{\\lambda^4}其中，I(\\lambda)_{scattering}表示散射光的強(qiáng)度，I(\\lambda)_{incident}是入射光的強(qiáng)度，\\lambda為入射光的波長(zhǎng)。這意味著波長(zhǎng)越短，散射強(qiáng)度越強(qiáng)。在大氣中，由于太陽光波長(zhǎng)（400-800納米）遠(yuǎn)大于大氣分子（1納米左右）直徑，故常發(fā)生瑞利散射。在晴朗的天空中，大氣分子對(duì)太陽光的散射以瑞利散射為主，太陽光中波長(zhǎng)較短的藍(lán)紫光比波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光散射更明顯，短波中又以藍(lán)光能量最大，所以天空呈現(xiàn)蔚藍(lán)色。在非視距紫外光通信中，由于紫外光波長(zhǎng)較短，處于200-280nm的日盲區(qū)，更容易受到瑞利散射的影響。瑞利散射會(huì)使紫外光信號(hào)在傳播過程中向各個(gè)方向散射，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度在傳播方向上逐漸減弱，即發(fā)生信號(hào)衰減。這會(huì)使得接收端接收到的光功率降低，從而影響通信的可靠性。瑞利散射還會(huì)改變光的傳播方向，使光信號(hào)沿著多條不同的路徑到達(dá)接收端，產(chǎn)生多徑效應(yīng)。多徑效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在接收端發(fā)生疊加和干涉，使信號(hào)發(fā)生畸變，增加誤碼率，降低通信質(zhì)量。在實(shí)際的非視距紫外光通信系統(tǒng)中，當(dāng)通信距離增加時(shí)，瑞利散射導(dǎo)致的信號(hào)衰減和多徑效應(yīng)會(huì)更加明顯，對(duì)通信性能的影響也會(huì)更大。2.1.2米氏散射米氏散射是當(dāng)大氣中顆粒的直徑與輻射的波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)發(fā)生的散射現(xiàn)象。1908年，德國(guó)物理學(xué)家、光學(xué)家米（G.Mie）從散射矩陣的理論出發(fā)，建立了全面的米氏散射理論，用以定量計(jì)算入射光能量的散射衰減。當(dāng)光波入射到粒子上時(shí)，由于粒子大小與光波波長(zhǎng)相當(dāng)，光波在粒子表面發(fā)生衍射，衍射后的光波在粒子內(nèi)部發(fā)生多次反射和折射，形成復(fù)雜的光波路徑，光波在粒子內(nèi)部傳播過程中，由于粒子密度不均勻，光波發(fā)生干涉，干涉后的光波再次發(fā)生衍射，最終偏離原來方向，形成散射光。米氏散射的強(qiáng)度與光波長(zhǎng)的關(guān)系較為復(fù)雜，不像瑞利散射那樣與波長(zhǎng)的四次方成反比。一般來說，米氏散射的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的2次方成反比，且隨著顆粒的增大，散射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化的起伏變?nèi)酢．?dāng)顆粒尺寸再增加，大于50倍波長(zhǎng)時(shí)，就不能再以散射模型來分析，而是直接以幾何光學(xué)模型來討論。米氏散射主要由大氣中的微粒，如煙霧、灰塵、小水滴及氣溶膠等引起。與瑞利散射相比，米氏散射在光的前進(jìn)方向上比在后方向上更強(qiáng)，方向性更明顯。在云霧天氣中，云霧的粒徑與紅光的波長(zhǎng)接近，云霧對(duì)紅光的輻射主要是米氏散射，此時(shí)散射光的強(qiáng)度幾乎與頻率無關(guān)，各個(gè)波長(zhǎng)的光被大致均勻地散射，所以云霧看起來是白色的。在非視距紫外光通信系統(tǒng)中，米氏散射對(duì)通信性能也有著重要影響。大氣中的氣溶膠粒子等會(huì)引發(fā)米氏散射，這會(huì)致使紫外光信號(hào)的強(qiáng)度大幅衰減，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致信號(hào)無法被有效接收。米氏散射的方向性使得散射光的分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，這會(huì)改變接收端接收到的光信號(hào)的分布特性，進(jìn)而影響通信系統(tǒng)的性能。在城市環(huán)境中，大氣中的氣溶膠粒子濃度較高，米氏散射作用顯著，會(huì)導(dǎo)致非視距紫外光通信系統(tǒng)的傳輸距離縮短、通信速率降低以及誤碼率增加。當(dāng)大氣中氣溶膠粒子濃度增加時(shí)，米氏散射導(dǎo)致的信號(hào)衰減加劇，接收端接收到的光功率降低，為了保證通信的可靠性，就需要提高發(fā)射功率或者采用更靈敏的接收設(shè)備。但提高發(fā)射功率可能會(huì)受到設(shè)備功率限制以及對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生干擾等問題，而采用更靈敏的接收設(shè)備又會(huì)增加系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。2.1.3無選擇性散射無選擇性散射是指大氣中粒子的直徑比波長(zhǎng)大得多時(shí)發(fā)生的散射。這種散射的特點(diǎn)是散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)無關(guān)，在符合無選擇性散射條件的波段中，任何波長(zhǎng)的散射強(qiáng)度相同。云、霧粒子直徑雖然與紅外線波長(zhǎng)接近，但相比可見光波段，云霧的水滴粒子直徑就比波長(zhǎng)大得多，因而對(duì)可見光中各個(gè)波長(zhǎng)的光散射強(qiáng)度相同，所以我們看到的云霧是白色的，且從任何角度看都是白色。在非視距紫外光通信中，當(dāng)大氣中存在較大顆粒的污染物或者在某些特殊的氣象條件下，可能會(huì)出現(xiàn)無選擇性散射。無選擇性散射會(huì)使紫外光信號(hào)在各個(gè)方向上均勻散射，導(dǎo)致信號(hào)的能量分散，接收端接收到的信號(hào)強(qiáng)度降低。由于散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)無關(guān)，所以它對(duì)紫外光通信系統(tǒng)的影響不像瑞利散射和米氏散射那樣與波長(zhǎng)有明顯的關(guān)聯(lián)。但它依然會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的衰減和多徑效應(yīng)，影響通信系統(tǒng)的可靠性和通信質(zhì)量。在沙塵天氣中，大氣中的沙塵顆粒直徑較大，會(huì)對(duì)紫外光產(chǎn)生無選擇性散射，使得通信鏈路的信號(hào)強(qiáng)度急劇下降，嚴(yán)重影響非視距紫外光通信系統(tǒng)的正常工作。2.2非視距紫外光通信系統(tǒng)工作原理2.2.1系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)非視距紫外光通信系統(tǒng)主要由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成，各部分又包含多個(gè)功能不同的組成模塊，這些模塊協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了信息的有效傳輸。發(fā)射系統(tǒng)：發(fā)射系統(tǒng)的核心任務(wù)是將原始的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合在大氣中傳輸?shù)淖贤夤庑盘?hào)。它主要由信源模塊、調(diào)制模塊、驅(qū)動(dòng)電路和紫外光源等部分組成。信源模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生需要傳輸?shù)脑夹畔?，這些信息可以是語音、數(shù)據(jù)、圖像等各種形式。在實(shí)際應(yīng)用中，例如在軍事通信中，信源模塊可能產(chǎn)生加密后的軍事指令；在應(yīng)急救援通信中，信源模塊可能輸出災(zāi)區(qū)的實(shí)時(shí)情況數(shù)據(jù)。調(diào)制模塊則根據(jù)一定的調(diào)制方式，將信源模塊輸出的原始電信號(hào)加載到高頻載波信號(hào)上，從而改變載波的某些參數(shù)，如幅度、頻率或相位，使其攜帶原始信號(hào)的信息。常見的調(diào)制方式有幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）等。采用ASK調(diào)制方式時(shí)，通過改變載波的幅度來表示原始信號(hào)的“0”和“1”；使用FSK調(diào)制方式時(shí)，利用不同的頻率來區(qū)分原始信號(hào)的不同狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)電路在調(diào)制模塊和紫外光源之間起到橋梁作用，它能夠?yàn)樽贤夤庠刺峁┖线m的驅(qū)動(dòng)電流和電壓，確保紫外光源穩(wěn)定、高效地工作。不同類型的紫外光源對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求不同，紫外LED需要穩(wěn)定的直流驅(qū)動(dòng)電流，而紫外激光器可能需要特定頻率和波形的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。紫外光源是發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其性能直接影響通信系統(tǒng)的性能。目前常見的紫外光源有汞蒸氣弧光燈、氣體放電燈、紫外激光器、深紫外LED等。汞蒸氣弧光燈具有較高的發(fā)光效率，但啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，體積較大；氣體放電燈的發(fā)光原理基于氣體放電過程，能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的紫外光輸出，但穩(wěn)定性相對(duì)較差；紫外激光器具有高功率、高準(zhǔn)直性等優(yōu)點(diǎn)，適用于長(zhǎng)距離通信，但功耗較大，成本較高；深紫外LED則具有體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，在短距離、小功率的非視距紫外光通信應(yīng)用中具有很大的潛力。接收系統(tǒng)：接收系統(tǒng)的主要作用是接收經(jīng)過大氣散射傳輸后的紫外光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后進(jìn)行一系列處理，恢復(fù)出原始的信息。它主要包括光學(xué)接收天線、光電探測(cè)器、放大電路、解調(diào)模塊和信宿模塊等部分。光學(xué)接收天線負(fù)責(zé)收集散射到接收端的紫外光信號(hào)，其設(shè)計(jì)需要考慮對(duì)散射光的收集效率和方向性。為了提高收集效率，光學(xué)接收天線通常采用大口徑的設(shè)計(jì)，以增加對(duì)散射光的捕獲面積；同時(shí)，為了提高方向性，可能采用特定的光學(xué)結(jié)構(gòu)，如拋物面反射鏡、菲涅爾透鏡等，使散射光能夠更集中地匯聚到光電探測(cè)器上。光電探測(cè)器是接收系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，它能夠?qū)⒔邮盏降墓庑盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。常見的光電探測(cè)器有光電倍增管（PMT）、雪崩光電二極管（APD）等。PMT具有很高的靈敏度，能夠檢測(cè)到微弱的光信號(hào)，但體積較大，需要較高的工作電壓；APD則具有響應(yīng)速度快、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在非視距紫外光通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。放大電路對(duì)接收到的電信號(hào)進(jìn)行放大，以提高信號(hào)的幅度，便于后續(xù)的處理。由于經(jīng)過大氣散射傳輸后的光信號(hào)強(qiáng)度較弱，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)也比較微弱，需要通過放大電路進(jìn)行放大。放大電路通常采用多級(jí)放大的方式，以獲得足夠的增益，同時(shí)要注意控制噪聲的引入，避免對(duì)信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生過大的影響。解調(diào)模塊的作用與發(fā)射系統(tǒng)中的調(diào)制模塊相反，它根據(jù)發(fā)射端采用的調(diào)制方式，對(duì)放大后的電信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，去除載波信號(hào)，恢復(fù)出原始的電信號(hào)。如果發(fā)射端采用ASK調(diào)制方式，解調(diào)模塊可能采用包絡(luò)檢波的方法來恢復(fù)原始信號(hào)；若采用PSK調(diào)制方式，解調(diào)模塊則可能采用相干解調(diào)的方法。信宿模塊是接收系統(tǒng)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，它接收解調(diào)模塊輸出的原始電信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為用戶能夠理解的信息形式，如語音、數(shù)據(jù)、圖像等，最終呈現(xiàn)給用戶。2.2.2通信基本過程非視距紫外光通信的基本過程涵蓋了從信號(hào)發(fā)射、在大氣中傳輸，到接收端處理的一系列復(fù)雜步驟，每個(gè)步驟都對(duì)通信的質(zhì)量和可靠性產(chǎn)生著重要影響。信號(hào)發(fā)射：在發(fā)射端，信源模塊首先產(chǎn)生需要傳輸?shù)脑夹畔?，這些信息以電信號(hào)的形式存在。調(diào)制模塊按照預(yù)先設(shè)定的調(diào)制方式，將原始電信號(hào)加載到高頻載波上，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制。采用二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）調(diào)制方式時(shí)，調(diào)制模塊會(huì)根據(jù)原始電信號(hào)的“0”和“1”狀態(tài)，將載波的相位改變180度，從而使載波攜帶原始信號(hào)的信息。驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)紫外光源的特性，為其提供合適的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使紫外光源能夠按照調(diào)制后的信號(hào)規(guī)律發(fā)射紫外光。如果紫外光源是紫外LED，驅(qū)動(dòng)電路會(huì)提供穩(wěn)定的直流電流，并且根據(jù)調(diào)制信號(hào)的變化，實(shí)時(shí)調(diào)整電流的大小，以控制紫外LED的發(fā)光強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)光信號(hào)對(duì)原始電信號(hào)的準(zhǔn)確攜帶。大氣傳輸：發(fā)射出的紫外光信號(hào)在大氣中傳播時(shí)，會(huì)與大氣分子、氣溶膠粒子等發(fā)生相互作用，主要表現(xiàn)為散射和吸收。瑞利散射和米氏散射會(huì)使紫外光信號(hào)向各個(gè)方向散射，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度逐漸衰減。大氣中的氧氣、臭氧等分子會(huì)對(duì)紫外光產(chǎn)生吸收作用，進(jìn)一步削弱信號(hào)強(qiáng)度。在城市環(huán)境中，大氣中的氣溶膠粒子濃度較高，米氏散射作用更為明顯，信號(hào)衰減速度更快。同時(shí)，散射還會(huì)使紫外光信號(hào)沿著多條不同的路徑到達(dá)接收端，形成多徑效應(yīng)。多徑效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在接收端發(fā)生疊加和干涉，使信號(hào)發(fā)生畸變，增加誤碼率。信號(hào)接收與處理：在接收端，光學(xué)接收天線收集散射到接收端的紫外光信號(hào)，并將其聚焦到光電探測(cè)器上。光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)過放大電路放大后，幅度得到提升。解調(diào)模塊根據(jù)發(fā)射端采用的調(diào)制方式，對(duì)放大后的電信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，去除載波信號(hào)，恢復(fù)出原始的電信號(hào)。采用BPSK調(diào)制方式時(shí)，解調(diào)模塊通過與發(fā)射端載波同頻同相的本地載波進(jìn)行相干解調(diào)，提取出原始電信號(hào)。最后，信宿模塊將解調(diào)后的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為用戶能夠理解的信息形式，完成整個(gè)通信過程。如果傳輸?shù)氖钦Z音信息，信宿模塊會(huì)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲音，通過揚(yáng)聲器播放出來；如果是數(shù)據(jù)信息，信宿模塊會(huì)將其顯示在終端設(shè)備上，供用戶查看。2.2.3非視距通信實(shí)現(xiàn)機(jī)制非視距紫外光通信能夠?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵在于大氣散射的作用。當(dāng)紫外光信號(hào)在大氣中傳播時(shí)，由于大氣中存在大量的分子和氣溶膠粒子，這些粒子會(huì)對(duì)紫外光產(chǎn)生散射作用。瑞利散射主要由大氣分子引起，米氏散射主要由氣溶膠粒子引起。散射過程使得紫外光信號(hào)的傳播方向發(fā)生改變，原本沿直線傳播的紫外光可以繞過障礙物，向各個(gè)方向散射。在實(shí)際的非視距通信場(chǎng)景中，發(fā)射端發(fā)射的紫外光信號(hào)在遇到障礙物時(shí)，一部分信號(hào)會(huì)直接被障礙物阻擋，但大部分信號(hào)會(huì)與大氣中的粒子發(fā)生散射。這些散射光會(huì)以不同的角度和路徑傳播，其中一些散射光能夠到達(dá)接收端。接收端通過光學(xué)接收天線收集這些散射光，并利用光電探測(cè)器將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由于散射光的傳播路徑不同，到達(dá)接收端的時(shí)間和強(qiáng)度也會(huì)有所差異，這就導(dǎo)致了多徑效應(yīng)的產(chǎn)生。為了克服多徑效應(yīng)的影響，非視距紫外光通信系統(tǒng)通常采用一些信號(hào)處理技術(shù)，如分集接收技術(shù)、均衡技術(shù)等。分集接收技術(shù)通過使用多個(gè)接收天線或在不同的時(shí)間、頻率上接收信號(hào)，增加信號(hào)的冗余度，從而提高系統(tǒng)對(duì)多徑衰落的抵抗能力；均衡技術(shù)則通過對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，補(bǔ)償多徑效應(yīng)引起的信號(hào)畸變，恢復(fù)出原始信號(hào)的波形。通過大氣散射和相應(yīng)的信號(hào)處理技術(shù)，非視距紫外光通信系統(tǒng)能夠在發(fā)射端和接收端之間存在障礙物的情況下實(shí)現(xiàn)可靠的通信。三、大氣散射對(duì)非視距紫外光通信系統(tǒng)性能的影響分析3.1信號(hào)衰減3.1.1衰減原理及模型在非視距紫外光通信中，信號(hào)衰減是一個(gè)關(guān)鍵問題，其主要源于大氣散射和吸收作用。大氣散射導(dǎo)致信號(hào)衰減的物理原理較為復(fù)雜，涉及到光與大氣中分子、氣溶膠粒子等的相互作用。當(dāng)紫外光在大氣中傳播時(shí)，會(huì)與大氣中的粒子發(fā)生碰撞，這些粒子可以是氣體分子（如氮?dú)?、氧氣等），也可以是氣溶膠粒子（如灰塵、煙霧、水滴等）。根據(jù)粒子尺寸與光波長(zhǎng)的相對(duì)大小，會(huì)發(fā)生不同類型的散射，如前文所述的瑞利散射和米氏散射。瑞利散射主要由大氣分子引起，當(dāng)光的波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于散射粒子的尺寸（通常小于波長(zhǎng)的十分之一）時(shí)，瑞利散射起主導(dǎo)作用。其散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的四次方成反比，這意味著短波長(zhǎng)的光更容易發(fā)生瑞利散射。在非視距紫外光通信中，紫外光波長(zhǎng)較短，處于200-280nm的日盲區(qū)，瑞利散射對(duì)其影響顯著。瑞利散射會(huì)使紫外光向各個(gè)方向散射，導(dǎo)致沿原傳播方向的光強(qiáng)度減弱，即信號(hào)衰減。米氏散射則主要由氣溶膠粒子引起，當(dāng)散射粒子的尺寸與光的波長(zhǎng)相近時(shí)，米氏散射起主導(dǎo)作用。米氏散射的強(qiáng)度和散射光的分布與粒子的大小、形狀、折射率以及光的波長(zhǎng)等因素密切相關(guān)。與瑞利散射不同，米氏散射在光的前進(jìn)方向上比在后方向上更強(qiáng)，具有一定的方向性。在城市環(huán)境中，大氣中的氣溶膠粒子濃度較高，米氏散射作用更為明顯，會(huì)導(dǎo)致紫外光信號(hào)的衰減加劇。大氣中的氣體分子（如氧氣、臭氧等）還會(huì)對(duì)紫外光產(chǎn)生吸收作用，進(jìn)一步削弱信號(hào)強(qiáng)度。為了描述大氣散射導(dǎo)致的信號(hào)衰減，通常采用一些數(shù)學(xué)模型，其中常用的是朗伯-比爾定律（Lambert-BeerLaw）的擴(kuò)展形式。在考慮大氣散射和吸收的情況下，接收端接收到的光功率P_r與發(fā)射端發(fā)射的光功率P_t之間的關(guān)系可以表示為：P_r=P_t\cdote^{-(\\alpha+\\beta)d}其中，\\alpha是吸收系數(shù)，\\beta是散射系數(shù)，d是通信距離。吸收系數(shù)\\alpha反映了大氣分子對(duì)紫外光的吸收能力，其大小與氣體分子的種類、濃度以及光的波長(zhǎng)等因素有關(guān)。對(duì)于日盲區(qū)的紫外光，臭氧對(duì)其吸收作用較為顯著，臭氧濃度越高，吸收系數(shù)越大，信號(hào)衰減越嚴(yán)重。散射系數(shù)\\beta則取決于散射粒子的性質(zhì)和濃度，對(duì)于瑞利散射，散射系數(shù)與波長(zhǎng)的四次方成反比；對(duì)于米氏散射，散射系數(shù)與粒子的大小、形狀、折射率等因素相關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，大氣條件復(fù)雜多變，吸收系數(shù)和散射系數(shù)需要通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量或基于大氣模型進(jìn)行估算。在一些研究中，還會(huì)考慮散射相函數(shù)來更精確地描述散射光的分布情況。散射相函數(shù)P(\\theta)表示散射光在與入射光成\\theta角度方向上的相對(duì)強(qiáng)度，它反映了散射的方向性。在非視距紫外光通信中，散射相函數(shù)對(duì)于理解散射光的傳播路徑和接收端接收到的光功率分布具有重要意義。通過積分散射相函數(shù)，可以得到總的散射系數(shù)，從而更準(zhǔn)確地計(jì)算信號(hào)衰減。3.1.2對(duì)通信距離的限制信號(hào)衰減對(duì)非視距紫外光通信系統(tǒng)的有效通信距離有著至關(guān)重要的限制作用。隨著通信距離的增加，信號(hào)在大氣中傳播時(shí)會(huì)不斷受到散射和吸收，導(dǎo)致光功率逐漸降低。當(dāng)接收端接收到的光功率低于一定閾值時(shí)，信號(hào)將無法被有效檢測(cè)和解調(diào)，從而限制了通信的可靠性和距離。從信號(hào)衰減的數(shù)學(xué)模型P_r=P_t\cdote^{-(\\alpha+\\beta)d}可以看出，通信距離d與接收光功率P_r呈指數(shù)關(guān)系。當(dāng)發(fā)射光功率P_t一定時(shí)，吸收系數(shù)\\alpha和散射系數(shù)\\beta越大，隨著通信距離d的增加，接收光功率P_r下降得越快。在大氣條件較差的情況下，如氣溶膠濃度較高或大氣能見度較低時(shí)，散射系數(shù)和吸收系數(shù)都會(huì)增大，使得信號(hào)衰減加劇，通信距離受限更為明顯。在沙塵天氣中，大氣中的沙塵粒子會(huì)引起強(qiáng)烈的米氏散射和吸收，導(dǎo)致非視距紫外光通信系統(tǒng)的通信距離大幅縮短，可能從正常天氣下的數(shù)公里縮短到幾百米甚至更短。為了保證通信的可靠性，接收端接收到的光功率需要滿足一定的要求，通常要求接收光功率大于接收機(jī)的靈敏度。假設(shè)接收機(jī)的靈敏度為P_{s}，則根據(jù)信號(hào)衰減模型可以得到：P_t\cdote^{-(\\alpha+\\beta)d}\\geqP_{s}通過對(duì)上式進(jìn)行求解，可以得到在給定大氣條件（即確定的吸收系數(shù)\\alpha和散射系數(shù)\\beta）和發(fā)射光功率P_t下，通信系統(tǒng)能夠正常工作的最大通信距離d_{max}：d_{max}=-\\frac{1}{\\alpha+\\beta}\ln(\\frac{P_{s}}{P_t})從這個(gè)式子可以看出，最大通信距離與發(fā)射光功率的對(duì)數(shù)成正比，與吸收系數(shù)和散射系數(shù)之和成反比。這意味著提高發(fā)射光功率可以在一定程度上增加通信距離，但當(dāng)吸收系數(shù)和散射系數(shù)較大時(shí)，增加發(fā)射光功率對(duì)通信距離的提升效果會(huì)逐漸減弱。同時(shí)，改善大氣條件，降低吸收系數(shù)和散射系數(shù)，對(duì)于延長(zhǎng)通信距離具有重要意義。3.1.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與數(shù)據(jù)支持許多研究通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了信號(hào)衰減對(duì)非視距紫外光通信系統(tǒng)通信距離的影響，并提供了相關(guān)的數(shù)據(jù)支持。在[具體文獻(xiàn)]的實(shí)驗(yàn)中，搭建了一套非視距紫外光通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用波長(zhǎng)為260nm的紫外LED作為光源，發(fā)射光功率為P_t=5mW。在不同的大氣條件下，分別測(cè)量了接收光功率與通信距離之間的關(guān)系。在晴朗天氣下，大氣中的氣溶膠濃度較低，測(cè)量得到的吸收系數(shù)\\alpha=0.05km^{-1}，散射系數(shù)\\beta=0.1km^{-1}。隨著通信距離的增加，接收光功率逐漸降低，當(dāng)通信距離達(dá)到2km時(shí)，接收光功率降低到P_r=0.1mW，接近接收機(jī)的靈敏度P_{s}=0.05mW。當(dāng)通信距離繼續(xù)增加到2.5km時(shí)，接收光功率低于接收機(jī)靈敏度，通信出現(xiàn)誤碼，無法正常進(jìn)行。在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，模擬了城市環(huán)境中的大氣條件，通過增加氣溶膠濃度來改變大氣散射和吸收特性。在這種情況下，吸收系數(shù)增加到\\alpha=0.15km^{-1}，散射系數(shù)增加到\\beta=0.3km^{-1}。同樣采用上述發(fā)射光功率的紫外LED作為光源，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)通信距離僅為1km時(shí)，接收光功率就降低到了P_r=0.08mW，接近接收機(jī)靈敏度。當(dāng)通信距離達(dá)到1.2km時(shí)，接收光功率低于接收機(jī)靈敏度，通信質(zhì)量嚴(yán)重下降。通過這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以清晰地看出，信號(hào)衰減對(duì)非視距紫外光通信系統(tǒng)的通信距離有著顯著的限制作用。隨著大氣條件的惡化，散射和吸收系數(shù)增大，通信距離會(huì)明顯縮短。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果為進(jìn)一步研究非視距紫外光通信系統(tǒng)在不同大氣條件下的性能以及優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。3.2信號(hào)畸變3.2.1散射導(dǎo)致的多徑效應(yīng)在非視距紫外光通信中，大氣散射是引發(fā)多徑效應(yīng)的主要原因。當(dāng)紫外光信號(hào)在大氣中傳播時(shí)，會(huì)與大氣中的分子和氣溶膠粒子發(fā)生瑞利散射和米氏散射。這些散射過程使得紫外光信號(hào)不再沿直線傳播，而是向各個(gè)方向散射，從而形成了多條不同的傳播路徑。由于不同路徑的長(zhǎng)度不同，信號(hào)在這些路徑上傳播所經(jīng)歷的時(shí)間也不同，這就導(dǎo)致了多徑效應(yīng)的產(chǎn)生。以一個(gè)簡(jiǎn)單的場(chǎng)景為例，假設(shè)在城市街道中進(jìn)行非視距紫外光通信，街道兩側(cè)的建筑物和大氣中的氣溶膠粒子會(huì)對(duì)紫外光信號(hào)產(chǎn)生散射。發(fā)射端發(fā)出的紫外光信號(hào)一部分直接被建筑物阻擋，另一部分則與大氣粒子發(fā)生散射。散射后的信號(hào)沿著不同的路徑傳播，有的經(jīng)過一次散射后到達(dá)接收端，有的則經(jīng)過多次散射。這些不同路徑的信號(hào)到達(dá)接收端的時(shí)間存在差異，形成了多徑信號(hào)。多徑信號(hào)之間會(huì)發(fā)生疊加和干涉，導(dǎo)致接收端接收到的信號(hào)波形發(fā)生畸變。如果多徑信號(hào)的時(shí)間延遲超過了信號(hào)的碼元周期，就會(huì)產(chǎn)生碼間干擾（ISI）。碼間干擾會(huì)使接收端在判斷信號(hào)的“0”和“1”狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，從而增加誤碼率，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。在高速率的非視距紫外光通信中，由于碼元周期較短，多徑效應(yīng)更容易導(dǎo)致碼間干擾，對(duì)通信性能的影響更為顯著。3.2.2信號(hào)畸變的表現(xiàn)與影響信號(hào)畸變?cè)诜且暰嘧贤夤馔ㄐ胖兄饕w現(xiàn)在波形和頻率等方面。在波形上，由于多徑效應(yīng)，接收端接收到的信號(hào)波形會(huì)發(fā)生展寬、變形等現(xiàn)象。原本尖銳的脈沖信號(hào)可能會(huì)變得模糊、拖尾，信號(hào)的上升沿和下降沿也會(huì)變得不陡峭。這是因?yàn)椴煌窂降男盘?hào)到達(dá)接收端的時(shí)間不同，在時(shí)間上相互疊加，使得信號(hào)的形狀發(fā)生改變。在頻率方面，大氣散射可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的頻率發(fā)生偏移。這是由于散射過程中光與粒子的相互作用，使得光的能量分布發(fā)生變化，從而引起頻率的改變。這種頻率偏移會(huì)影響信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)過程，增加解調(diào)的難度。信號(hào)畸變對(duì)通信質(zhì)量有著嚴(yán)重的影響。波形的畸變會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的特征變得不明顯，接收端難以準(zhǔn)確地識(shí)別信號(hào)的“0”和“1”狀態(tài)，從而增加誤碼率。在采用脈沖位置調(diào)制（PPM）的非視距紫外光通信系統(tǒng)中，信號(hào)的脈沖位置是攜帶信息的關(guān)鍵。但由于多徑效應(yīng)導(dǎo)致波形畸變，脈沖位置可能會(huì)發(fā)生偏移，接收端在檢測(cè)脈沖位置時(shí)就容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致誤碼率升高。頻率的偏移會(huì)使接收端的解調(diào)過程出現(xiàn)偏差，無法準(zhǔn)確恢復(fù)原始信號(hào)。如果發(fā)射端采用的是頻移鍵控（FSK）調(diào)制方式，頻率的偏移會(huì)使接收端難以準(zhǔn)確區(qū)分不同頻率的信號(hào)，從而導(dǎo)致解調(diào)錯(cuò)誤，影響通信的可靠性。信號(hào)畸變還會(huì)限制通信系統(tǒng)的傳輸速率。為了保證通信的可靠性，在信號(hào)畸變嚴(yán)重的情況下，需要降低傳輸速率，以減少碼間干擾的影響。但這會(huì)降低通信系統(tǒng)的效率，無法滿足一些對(duì)高速率通信有需求的應(yīng)用場(chǎng)景。3.2.3仿真分析與結(jié)果展示為了更直觀地展示信號(hào)畸變情況及對(duì)通信性能指標(biāo)的影響，進(jìn)行了一系列的仿真實(shí)驗(yàn)。采用MATLAB軟件搭建非視距紫外光通信系統(tǒng)的仿真模型，基于蒙特卡羅方法模擬大氣散射過程。在仿真模型中，設(shè)置發(fā)射端發(fā)射的信號(hào)為二進(jìn)制脈沖信號(hào)，調(diào)制方式為ASK。大氣條件設(shè)定為城市環(huán)境，氣溶膠濃度為1000cm^{-3}，大氣能見度為5km。通信距離設(shè)置為1km。通過仿真，得到了接收端接收到的信號(hào)波形。與發(fā)射端原始信號(hào)相比，接收端的信號(hào)波形明顯發(fā)生了畸變。原始信號(hào)的脈沖寬度為10ns，而接收端的信號(hào)脈沖寬度展寬到了25ns左右，且信號(hào)的上升沿和下降沿變得平緩，出現(xiàn)了明顯的拖尾現(xiàn)象。這表明多徑效應(yīng)導(dǎo)致了信號(hào)波形的嚴(yán)重畸變。在頻率方面，通過對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)信號(hào)的中心頻率發(fā)生了約10MHz的偏移。進(jìn)一步分析信號(hào)畸變對(duì)通信性能指標(biāo)的影響，計(jì)算了不同信噪比下的誤碼率。仿真結(jié)果表明，隨著信噪比的降低，誤碼率迅速增加。在信噪比為20dB時(shí)，誤碼率約為10^{-3}；當(dāng)信噪比降低到10dB時(shí)，誤碼率急劇上升到10^{-1}左右。這是由于信號(hào)畸變使得接收端在判斷信號(hào)時(shí)更容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，尤其是在低信噪比的情況下，噪聲的干擾進(jìn)一步加劇了誤碼率的增加。信號(hào)畸變還對(duì)通信速率產(chǎn)生了影響。當(dāng)信號(hào)畸變嚴(yán)重時(shí)，為了保證誤碼率在可接受范圍內(nèi)，需要降低通信速率。在上述仿真條件下，當(dāng)通信速率從1Mbps提高到2Mbps時(shí)，誤碼率從10^{-3}增加到了10^{-2}以上。這表明信號(hào)畸變限制了通信速率的提高，在實(shí)際應(yīng)用中，需要在通信速率和誤碼率之間進(jìn)行權(quán)衡，以優(yōu)化通信系統(tǒng)的性能。3.3噪聲干擾3.3.1散射產(chǎn)生的噪聲來源在非視距紫外光通信中，大氣散射會(huì)產(chǎn)生多種噪聲，這些噪聲主要來源于以下幾個(gè)方面。大氣散射導(dǎo)致的信號(hào)衰落是噪聲的一個(gè)重要來源。由于大氣中的分子和氣溶膠粒子的隨機(jī)分布，紫外光在傳播過程中會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的散射過程，使得接收端接收到的光信號(hào)強(qiáng)度呈現(xiàn)出隨機(jī)起伏的特性，這種信號(hào)強(qiáng)度的隨機(jī)變化就產(chǎn)生了衰落噪聲。在城市環(huán)境中，大氣中的氣溶膠粒子濃度會(huì)隨著時(shí)間和空間的變化而發(fā)生改變，這會(huì)導(dǎo)致紫外光信號(hào)在不同時(shí)刻和不同位置的散射情況不同，從而使接收端接收到的信號(hào)強(qiáng)度不斷波動(dòng)，產(chǎn)生衰落噪聲。這種衰落噪聲會(huì)對(duì)信號(hào)的解調(diào)產(chǎn)生干擾，增加誤碼率。散射光的背景噪聲也是噪聲的重要組成部分。大氣散射使得紫外光信號(hào)向各個(gè)方向散射，其中一部分散射光會(huì)進(jìn)入接收端，形成背景噪聲。這些散射光來自不同的方向和路徑，它們的強(qiáng)度和相位各不相同，在接收端相互疊加，形成了復(fù)雜的背景噪聲。在晴朗的天氣條件下，雖然大氣中的氣溶膠粒子濃度相對(duì)較低，但大氣分子的瑞利散射仍然會(huì)產(chǎn)生一定強(qiáng)度的散射光背景噪聲。在復(fù)雜的城市環(huán)境中，建筑物、車輛等物體也會(huì)對(duì)紫外光產(chǎn)生散射，進(jìn)一步增加了散射光背景噪聲的強(qiáng)度和復(fù)雜性。這種背景噪聲會(huì)降低信號(hào)的信噪比，使接收端難以準(zhǔn)確地檢測(cè)和識(shí)別信號(hào)。光電探測(cè)器在將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過程中，由于自身的物理特性，也會(huì)引入噪聲。在非視距紫外光通信中，由于信號(hào)經(jīng)過大氣散射后強(qiáng)度較弱，光電探測(cè)器的噪聲對(duì)通信性能的影響更為顯著。光電探測(cè)器的噪聲主要包括散粒噪聲、熱噪聲等。散粒噪聲是由于光生載流子的隨機(jī)產(chǎn)生和復(fù)合而引起的，其大小與光電流成正比。熱噪聲則是由于探測(cè)器內(nèi)部的電子熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的，與溫度有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，為了降低光電探測(cè)器的噪聲，通常會(huì)采用一些降噪技術(shù)，如制冷技術(shù)、低噪聲放大器等，但這些技術(shù)也會(huì)增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。3.3.2對(duì)信噪比的影響噪聲對(duì)非視距紫外光通信系統(tǒng)信噪比的影響是非常顯著的，會(huì)嚴(yán)重降低通信信號(hào)的可靠性。信噪比（SNR）是通信系統(tǒng)中一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它表示信號(hào)功率與噪聲功率的比值，通常用分貝（dB）表示。較高的信噪比意味著信號(hào)相對(duì)噪聲更強(qiáng)，通信系統(tǒng)能夠更準(zhǔn)確地檢測(cè)和恢復(fù)信號(hào)；而較低的信噪比則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)被噪聲淹沒，增加誤碼率，降低通信質(zhì)量。在非視距紫外光通信系統(tǒng)中，大氣散射產(chǎn)生的噪聲會(huì)使噪聲功率增加，從而降低信噪比。如前文所述，散射導(dǎo)致的信號(hào)衰落會(huì)使接收端接收到的信號(hào)強(qiáng)度隨機(jī)起伏，這種起伏相當(dāng)于在信號(hào)中疊加了噪聲，使得噪聲功率增大。散射光的背景噪聲也會(huì)直接增加噪聲功率。假設(shè)發(fā)射端發(fā)射的光信號(hào)功率為P_{s}，經(jīng)過大氣散射傳輸后，在接收端接收到的信號(hào)功率為P_{r}，而噪聲功率為P_{n}，則信噪比SNR可以表示為：SNR=10\log_{10}(\\frac{P_{r}}{P_{n}})當(dāng)噪聲功率P_{n}由于大氣散射產(chǎn)生的噪聲而增加時(shí)，在接收信號(hào)功率P_{r}不變或變化較小的情況下，信噪比SNR會(huì)降低。當(dāng)大氣中的氣溶膠濃度增加時(shí)，米氏散射作用增強(qiáng)，散射光的背景噪聲增大，噪聲功率P_{n}增加，導(dǎo)致信噪比SNR下降。如果信噪比降低到一定程度，接收端在檢測(cè)信號(hào)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)困難，容易將噪聲誤判為信號(hào)，從而增加誤碼率。在采用ASK調(diào)制方式的非視距紫外光通信系統(tǒng)中，當(dāng)信噪比降低時(shí)，接收端難以準(zhǔn)確地區(qū)分信號(hào)的“0”和“1”狀態(tài)，導(dǎo)致誤碼率升高，通信質(zhì)量下降。為了保證通信的可靠性，需要提高信噪比。可以通過增加發(fā)射光功率來提高接收信號(hào)功率P_{r}，從而提高信噪比。但增加發(fā)射光功率會(huì)受到設(shè)備功率限制以及對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生干擾等問題。還可以采用降噪技術(shù)來降低噪聲功率P_{n}，如采用濾波技術(shù)去除背景噪聲、優(yōu)化光電探測(cè)器的設(shè)計(jì)降低其自身噪聲等。但這些降噪技術(shù)也存在一定的局限性，濾波技術(shù)在去除噪聲的同時(shí)可能會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生一定的衰減，影響信號(hào)的完整性；優(yōu)化光電探測(cè)器設(shè)計(jì)可能會(huì)增加成本和復(fù)雜性。3.3.3實(shí)際案例分析在實(shí)際的非視距紫外光通信場(chǎng)景中，噪聲干擾對(duì)通信系統(tǒng)性能的影響得到了充分的體現(xiàn)。以城市峽谷環(huán)境中的非視距紫外光通信為例，在城市峽谷中，建筑物密集，大氣中的氣溶膠粒子濃度相對(duì)較高，這使得大氣散射作用更為復(fù)雜。在某城市的一條街道進(jìn)行的非視距紫外光通信實(shí)驗(yàn)中，采用波長(zhǎng)為250nm的紫外LED作為光源，發(fā)射光功率為10mW，通信距離為500m。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過測(cè)量接收端的光功率和誤碼率來評(píng)估通信系統(tǒng)的性能。在天氣晴朗、大氣能見度較好的情況下，大氣中的氣溶膠濃度相對(duì)較低，散射光的背景噪聲較小。此時(shí)，接收端接收到的光功率為0.1mW，噪聲功率為10^{-6}W，計(jì)算得到信噪比SNR=10\log_{10}(\\frac{0.1}{10^{-6}})=50dB。在這種情況下，通信系統(tǒng)的誤碼率較低，能夠穩(wěn)定地傳輸數(shù)據(jù)，誤碼率約為10^{-4}。當(dāng)遇到霧霾天氣時(shí)，大氣中的氣溶膠濃度急劇增加，米氏散射作用顯著增強(qiáng)。此時(shí)，散射光的背景噪聲大幅增加，噪聲功率上升到10^{-4}W，而接收光功率由于散射和吸收的增強(qiáng)下降到0.05mW。計(jì)算得到信噪比SNR=10\log_{10}(\\frac{0.05}{10^{-4}})=37dB。隨著信噪比的降低，通信系統(tǒng)的誤碼率急劇上升，達(dá)到了10^{-2}左右，通信質(zhì)量嚴(yán)重下降，數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)大量錯(cuò)誤，甚至無法正常通信。在另一個(gè)室內(nèi)遮擋環(huán)境的非視距紫外光通信實(shí)驗(yàn)中，在一個(gè)大型會(huì)議室中設(shè)置發(fā)射端和接收端，中間有多個(gè)障礙物。由于室內(nèi)存在人員活動(dòng)、灰塵等因素，大氣中的散射粒子較多。在正常情況下，接收端接收到的光功率為0.08mW，噪聲功率為5\times10^{-6}W，信噪比SNR=10\log_{10}(\\frac{0.08}{5\times10^{-6}})=44dB，誤碼率約為10^{-3}。當(dāng)室內(nèi)人員活動(dòng)頻繁，揚(yáng)起較多灰塵時(shí)，散射作用增強(qiáng)，噪聲功率增加到2\times10^{-4}W，接收光功率下降到0.03mW，信噪比SNR=10\log_{10}(\\frac{0.03}{2\times10^{-4}})=21.76dB，誤碼率上升到10^{-1}以上，通信幾乎無法正常進(jìn)行。通過這些實(shí)際案例可以清楚地看到，噪聲干擾對(duì)非視距紫外光通信系統(tǒng)性能有著重要影響。在實(shí)際應(yīng)用中，需要充分考慮大氣散射產(chǎn)生的噪聲干擾，采取有效的措施來提高信噪比，降低誤碼率，以保證通信系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。四、應(yīng)對(duì)大氣散射影響的技術(shù)策略4.1信號(hào)處理技術(shù)4.1.1信道均衡技術(shù)信道均衡技術(shù)是一種用于補(bǔ)償信號(hào)在傳輸過程中由于信道特性不理想而產(chǎn)生的畸變和衰減的關(guān)鍵技術(shù)。在非視距紫外光通信中，大氣散射導(dǎo)致的多徑效應(yīng)使得信號(hào)在不同路徑上的傳輸延遲和衰減各不相同，從而引起碼間干擾（ISI），嚴(yán)重影響信號(hào)的接收質(zhì)量。信道均衡技術(shù)的基本原理是通過在接收端引入一個(gè)濾波器，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，以補(bǔ)償信道的頻率響應(yīng)和相位特性，使得經(jīng)過處理后的信號(hào)盡可能恢復(fù)到原始信號(hào)的形式。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式的不同，信道均衡技術(shù)可分為線性均衡和非線性均衡。線性均衡器如橫向?yàn)V波器，它通過對(duì)接收信號(hào)的不同延遲版本進(jìn)行加權(quán)求和來實(shí)現(xiàn)均衡。橫向?yàn)V波器的系數(shù)根據(jù)信道的特性進(jìn)行調(diào)整，以抵消多徑效應(yīng)引起的碼間干擾。假設(shè)接收信號(hào)為r(t)，橫向?yàn)V波器的系數(shù)為c_n，則均衡后的信號(hào)y(t)可以表示為：y(t)=\sum_{n=-N}^{N}c_nr(t-nT)其中，T是符號(hào)周期，N是濾波器的抽頭數(shù)。通過調(diào)整系數(shù)c_n，使得均衡后的信號(hào)y(t)盡可能接近原始發(fā)送信號(hào)。非線性均衡器如判決反饋均衡器（DFE），它利用先前已判決的符號(hào)信息來消除當(dāng)前符號(hào)的碼間干擾。DFE由前饋濾波器和反饋濾波器組成，前饋濾波器用于消除來自前面符號(hào)的干擾，反饋濾波器則利用已判決的符號(hào)來消除來自后面符號(hào)的干擾。在非視距紫外光通信中，由于大氣散射導(dǎo)致的信道特性復(fù)雜多變，非線性均衡器通常能夠更好地適應(yīng)這種復(fù)雜信道，有效提高信號(hào)的接收質(zhì)量。信道均衡技術(shù)在非視距紫外光通信中具有重要作用。它可以補(bǔ)償信號(hào)在大氣傳輸過程中的畸變和衰減，降低碼間干擾，從而提高通信系統(tǒng)的誤碼率性能。在一些實(shí)驗(yàn)中，采用信道均衡技術(shù)后，非視距紫外光通信系統(tǒng)的誤碼率可以降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，大大提高了通信的可靠性。信道均衡技術(shù)還可以提高通信系統(tǒng)的傳輸速率，使得系統(tǒng)能夠在更高速率下穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)。4.1.2編碼與調(diào)制技術(shù)編碼與調(diào)制技術(shù)是提高非視距紫外光通信系統(tǒng)抗大氣散射干擾能力的重要手段。不同的編碼和調(diào)制技術(shù)在抵抗大氣散射影響方面具有各自獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在編碼技術(shù)方面，前饋糾錯(cuò)編碼（FEC）被廣泛應(yīng)用。FEC技術(shù)通過在發(fā)送端對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，增加冗余信息，使得接收端能夠在一定程度上糾正傳輸過程中產(chǎn)生的錯(cuò)誤。常見的FEC編碼有卷積碼、Turbo碼、低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC）等。卷積碼是一種具有記憶性的編碼方式，它通過對(duì)輸入數(shù)據(jù)和前一時(shí)刻的狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)算來生成編碼后的輸出。卷積碼在非視距紫外光通信中能夠有效地糾正隨機(jī)錯(cuò)誤，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。Turbo碼是一種并行級(jí)聯(lián)卷積碼，它通過交織器將兩個(gè)卷積碼并行級(jí)聯(lián)起來，具有接近香農(nóng)限的性能。在大氣散射導(dǎo)致信號(hào)衰落和干擾嚴(yán)重的情況下，Turbo碼能夠通過其強(qiáng)大的糾錯(cuò)能力，恢復(fù)出正確的原始數(shù)據(jù)，降低誤碼率。LDPC碼則是一種基于稀疏校驗(yàn)矩陣的線性分組碼，它具有優(yōu)異的糾錯(cuò)性能和較低的譯碼復(fù)雜度。在非視距紫外光通信中，LDPC碼能夠在低信噪比環(huán)境下有效工作，提高系統(tǒng)的可靠性。在調(diào)制技術(shù)方面，多種調(diào)制方式被應(yīng)用于非視距紫外光通信系統(tǒng)，以適應(yīng)大氣散射帶來的挑戰(zhàn)。脈沖位置調(diào)制（PPM）是一種常用的調(diào)制方式，它通過將光脈沖放置在不同的時(shí)隙位置來表示不同的信息。PPM調(diào)制具有較高的功率利用率，在大氣散射導(dǎo)致信號(hào)衰減的情況下，能夠以較低的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)可靠通信。與其他調(diào)制方式相比，PPM調(diào)制在相同發(fā)射功率下，能夠獲得更低的誤碼率。差分脈沖位置調(diào)制（DPPM）是PPM調(diào)制的一種變體，它通過相鄰脈沖之間的位置差異來傳遞信息。DPPM調(diào)制對(duì)同步要求較低，具有更強(qiáng)的抗抖動(dòng)能力，在大氣散射引起信號(hào)多徑效應(yīng)和抖動(dòng)的環(huán)境中，能夠保持較好的通信性能。正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)也在非視距紫外光通信中展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。OFDM將高速數(shù)據(jù)流分割成多個(gè)低速子數(shù)據(jù)流，分別在多個(gè)子載波上進(jìn)行調(diào)制傳輸。由于子載波之間相互正交，OFDM能夠有效地抵抗多徑效應(yīng)和頻率選擇性衰落，適合在大氣散射導(dǎo)致信道特性復(fù)雜的環(huán)境中應(yīng)用。在一些實(shí)驗(yàn)中，采用OFDM調(diào)制的非視距紫外光通信系統(tǒng)在多徑干擾嚴(yán)重的情況下，仍然能夠保持較高的通信速率和較低的誤碼率。4.1.3實(shí)際應(yīng)用案例與效果評(píng)估在實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)處理技術(shù)在提升非視距紫外光通信系統(tǒng)性能方面取得了顯著成效。在某城市的應(yīng)急通信項(xiàng)目中，采用了信道均衡技術(shù)和編碼調(diào)制技術(shù)相結(jié)合的方案。在信道均衡方面，采用了自適應(yīng)判決反饋均衡器（ADFE），根據(jù)信道的實(shí)時(shí)變化動(dòng)態(tài)調(diào)整均衡器的參數(shù)，以適應(yīng)大氣散射導(dǎo)致的信道特性變化。在編碼調(diào)制方面，采用了LDPC編碼和OFDM調(diào)制技術(shù)。LDPC編碼用于提高系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力，OFDM調(diào)制則用于抵抗多徑效應(yīng)。通過實(shí)際測(cè)試，該方案在不同的大氣條件下都取得了良好的效果。在正常天氣條件下，大氣散射相對(duì)較弱，系統(tǒng)的誤碼率能夠保持在10^{-5}以下，通信速率達(dá)到了1Mbps，能夠滿足一般數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。?dāng)遇到霧霾天氣時(shí)，大氣散射增強(qiáng)，信號(hào)衰減和多徑效應(yīng)加劇。在未采用信號(hào)處理技術(shù)的情況下，誤碼率急劇上升，通信幾乎無法正常進(jìn)行。而采用了上述信號(hào)處理技術(shù)后，誤碼率被控制在10^{-3}左右，通信速率雖然有所下降，但仍能維持在0.5Mbps左右，保證了應(yīng)急通信的基本需求。在另一個(gè)軍事通信應(yīng)用案例中，采用了Turbo碼和PPM調(diào)制技術(shù)。Turbo碼的強(qiáng)大糾錯(cuò)能力使得系統(tǒng)在復(fù)雜的電磁環(huán)境和大氣散射干擾下，能夠準(zhǔn)確地恢復(fù)出原始信息。PPM調(diào)制的高功率利用率則保證了系統(tǒng)在低發(fā)射功率下的通信可靠性，符合軍事通信對(duì)隱蔽性和低功耗的要求。通過實(shí)際的軍事演習(xí)測(cè)試，該系統(tǒng)在各種復(fù)雜環(huán)境下都表現(xiàn)出了良好的性能，誤碼率能夠滿足軍事通信的嚴(yán)格要求，通信的可靠性和保密性得到了有效保障。這些實(shí)際應(yīng)用案例充分證明了信號(hào)處理技術(shù)在提升非視距紫外光通信系統(tǒng)性能方面的有效性和重要性。四、應(yīng)對(duì)大氣散射影響的技術(shù)策略4.2硬件優(yōu)化措施4.2.1紫外光源的選擇與優(yōu)化紫外光源作為非視距紫外光通信系統(tǒng)發(fā)射端的關(guān)鍵部件，其性能對(duì)通信質(zhì)量有著決定性影響。在選擇紫外光源時(shí)，需綜合考慮多方面因素，以適應(yīng)大氣散射環(huán)境下的通信需求。從發(fā)光效率角度來看，不同類型的紫外光源存在顯著差異。汞蒸氣弧光燈具有較高的發(fā)光效率，能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的紫外光輸出，但其啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，通常需要幾分鐘甚至更長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)，這在一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的通信場(chǎng)景中可能會(huì)成為限制因素。氣體放電燈同樣能產(chǎn)生較強(qiáng)的紫外光，但穩(wěn)定性相對(duì)較差，其輸出光功率可能會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，這會(huì)影響通信信號(hào)的穩(wěn)定性。紫外激光器具有高功率、高準(zhǔn)直性等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)距離的通信，但功耗較大，成本也較高，這在一定程度上限制了其廣泛應(yīng)用。深紫外LED則具有體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，在短距離、小功率的非視距紫外光通信應(yīng)用中具有很大的潛力。它的啟動(dòng)時(shí)間極短，幾乎可以瞬間達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，非常適合對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)景。在考慮大氣散射對(duì)信號(hào)衰減的影響時(shí)，高功率的紫外光源能在一定程度上彌補(bǔ)信號(hào)在傳輸過程中的能量損失。對(duì)于長(zhǎng)距離的非視距紫外光通信，紫外激光器的高功率特性使其更具優(yōu)勢(shì)，即使信號(hào)在大氣中經(jīng)過多次散射和吸收，依然能保證接收端接收到足夠強(qiáng)度的信號(hào)。但在城市等復(fù)雜環(huán)境中，由于建筑物等障礙物的存在，信號(hào)的散射和反射較為復(fù)雜，此時(shí)深紫外LED的靈活性和適應(yīng)性可能更為重要。深紫外LED可以通過合理的陣列設(shè)計(jì)，增加發(fā)射光的覆蓋范圍，提高信號(hào)在復(fù)雜環(huán)境中的散射傳播效果。為了進(jìn)一步優(yōu)化紫外光源，可采用光源陣列技術(shù)。通過將多個(gè)紫外光源組合成陣列，可以增加發(fā)射光的功率和覆蓋范圍。在設(shè)計(jì)光源陣列時(shí)，需要考慮光源之間的間距、排列方式以及驅(qū)動(dòng)方式等因素。采用均勻分布的排列方式可以使發(fā)射光在空間上更加均勻地分布，提高信號(hào)的散射效果；合理的驅(qū)動(dòng)方式可以確保各個(gè)光源的工作狀態(tài)穩(wěn)定，避免出現(xiàn)功率不均衡等問題。還可以對(duì)紫外光源進(jìn)行調(diào)制特性優(yōu)化。根據(jù)通信系統(tǒng)的需求，選擇具有合適調(diào)制帶寬和響應(yīng)速度的紫外光源。對(duì)于高速率的非視距紫外光通信系統(tǒng)，需要紫外光源具有較高的調(diào)制帶寬，以保證能夠快速準(zhǔn)確地傳輸信號(hào)。一些新型的紫外光源通過改進(jìn)材料和結(jié)構(gòu)，提高了調(diào)制帶寬和響應(yīng)速度，能夠更好地滿足高速通信的需求。4.2.2探測(cè)器性能提升探測(cè)器作為非視距紫外光通信系統(tǒng)接收端的核心部件，其性能的優(yōu)劣直接影響著通信系統(tǒng)對(duì)散射光信號(hào)的接收和處理能力。提高探測(cè)器的靈敏度和抗干擾能力是應(yīng)對(duì)大氣散射影響的關(guān)鍵。在靈敏度提升方面，光電探測(cè)器的選擇至關(guān)重要。光電倍增管（PMT）以其極高的靈敏度著稱，能夠檢測(cè)到極其微弱的光信號(hào)。它通過內(nèi)部的倍增電極結(jié)構(gòu)，將光生電子進(jìn)行多次倍增，從而大大提高了對(duì)光信號(hào)的檢測(cè)能力。但PMT也存在一些局限性，它的體積較大，需要較高的工作電壓，這在一些對(duì)設(shè)備體積和功耗有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)景中可能不太適用。雪崩光電二極管（APD）則具有響應(yīng)速度快、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在非視距紫外光通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。APD利用雪崩倍增效應(yīng)，在較低的工作電壓下就能實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的有效放大，提高了靈敏度。為了進(jìn)一步提高APD的靈敏度，可以對(duì)其結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行優(yōu)化。采用新型的半導(dǎo)體材料，如氮化鎵（GaN）等，能夠提高APD的量子效率，從而增強(qiáng)對(duì)光信號(hào)的檢測(cè)能力。優(yōu)化APD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如調(diào)整倍增區(qū)的厚度和摻雜濃度等，也可以提高其雪崩倍增效率，提升靈敏度?？垢蓴_能力的提升對(duì)于探測(cè)器在復(fù)雜的大氣散射環(huán)境中準(zhǔn)確接收信號(hào)至關(guān)重要。為了減少背景噪聲的干擾，可以采用濾波技術(shù)。在探測(cè)器前端設(shè)置窄帶濾光片，只允許特定波長(zhǎng)范圍的紫外光通過，有效阻擋其他波長(zhǎng)的光信號(hào)，從而降低背景噪聲的影響。采用帶通濾波器可以進(jìn)一步提高對(duì)特定波長(zhǎng)紫外光的選擇性，增強(qiáng)對(duì)散射光信號(hào)的提取能力。還可以通過優(yōu)化探測(cè)器的電路設(shè)計(jì)來降低噪聲。采用低噪聲放大器對(duì)探測(cè)器輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大，能夠有效減少噪聲的引入。合理設(shè)計(jì)電路的布局和布線，減少電磁干擾的影響，提高探測(cè)器的穩(wěn)定性和抗干擾能力。在一些對(duì)通信可靠性要求極高的場(chǎng)景中，還可以采用冗余設(shè)計(jì)的方式，通過多個(gè)探測(cè)器同時(shí)工作，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行對(duì)比和處理，提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。4.2.3天線設(shè)計(jì)改進(jìn)天線在非視距紫外光通信系統(tǒng)中承擔(dān)著信號(hào)發(fā)射和接收的重要任務(wù)，其設(shè)計(jì)的合理性直接關(guān)系到信號(hào)的傳輸效果。改進(jìn)天線設(shè)計(jì)對(duì)于增強(qiáng)信號(hào)接收效果具有重要作用。在發(fā)射天線方面，為了提高信號(hào)的發(fā)射效率和方向性，可采用高增益天線。高增益天線能夠?qū)l(fā)射功率集中在特定的方向上，增強(qiáng)信號(hào)在該方向上的傳播強(qiáng)度。采用拋物面天線可以將發(fā)射的紫外光信號(hào)聚焦，提高信號(hào)的方向性和傳播距離。在設(shè)計(jì)拋物面天線時(shí)，需要精確控制拋物面的形狀和尺寸，以確保信號(hào)能夠準(zhǔn)確地聚焦在所需的方向上。還可以通過優(yōu)化天線的饋電方式，提高天線的輻射效率，減少能量損耗。采用同軸饋電方式可以使天線的輸入阻抗與饋線的特性阻抗更好地匹配，提高能量傳輸效率。接收天線的設(shè)計(jì)同樣關(guān)鍵，其主要目標(biāo)是提高對(duì)散射光信號(hào)的收集效率。采用大口徑的接收天線可以增加對(duì)散射光的捕獲面積，提高收集效率。采用直徑較大的圓形天線或矩形天線，能夠捕獲更多的散射光信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，還可以結(jié)合反射鏡或透鏡等光學(xué)元件，進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)散射光的聚焦效果。采用拋物面反射鏡與接收天線配合，能夠?qū)⑸⑸涔夥瓷洳⒕劢沟浇邮仗炀€上，提高接收靈敏度。為了適應(yīng)不同的通信場(chǎng)景和散射光分布特性，可設(shè)計(jì)具有自適應(yīng)調(diào)整功能的天線。這種天線能夠根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度和方向，自動(dòng)調(diào)整天線的指向和增益，以實(shí)現(xiàn)對(duì)散射光信號(hào)的最佳接收。通過采用智能天線技術(shù)，利用多個(gè)天線單元組成陣列，根據(jù)信號(hào)的空間分布特性，實(shí)時(shí)調(diào)整每個(gè)天線單元的權(quán)重和相位，實(shí)現(xiàn)對(duì)散射光信號(hào)的自適應(yīng)接收。在城市環(huán)境中，散射光的分布較為復(fù)雜，智能天線可以根據(jù)實(shí)際情況，自動(dòng)調(diào)整天線的參數(shù)，提高對(duì)散射光信號(hào)的接收能力，增強(qiáng)通信系統(tǒng)的性能。4.3系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化4.3.1分布式通信架構(gòu)分布式通信架構(gòu)是一種創(chuàng)新的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，它將通信任務(wù)分散到多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間相互協(xié)作，共同完成通信功能。在非視距紫外光通信中，這種架構(gòu)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。其原理基于分布式網(wǎng)絡(luò)的思想，將發(fā)射端和接收端的功能分散到多個(gè)小型設(shè)備或節(jié)點(diǎn)上，這些節(jié)點(diǎn)通過一定的通信協(xié)議進(jìn)行信息交互和協(xié)同工作。在一個(gè)復(fù)雜的城市環(huán)境中，采用分布式通信架構(gòu)的非視距紫外光通信系統(tǒng)可以部署多個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)。每個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)向周圍環(huán)境發(fā)射紫外光信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)過大氣散射后，被多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)接收。接收節(jié)點(diǎn)之間通過有線或無線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)作，將接收到的信號(hào)進(jìn)行匯總和處理。這種架構(gòu)能夠有效抵抗大氣散射影響，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。分布式架構(gòu)增加了信號(hào)的傳輸路徑多樣性。由于有多個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)，紫外光信號(hào)可以通過不同的路徑進(jìn)行散射傳播，增加了信號(hào)到達(dá)接收端的可能性。在遇到建筑物等障礙物時(shí)，即使部分路徑被阻擋，其他路徑的信號(hào)仍有可能被接收節(jié)點(diǎn)捕獲，從而提高了通信的可靠性。分布式架構(gòu)還能提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性。如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，其他節(jié)點(diǎn)可以繼續(xù)工作，不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)通信系統(tǒng)的癱瘓。在軍事通信中，當(dāng)部分節(jié)點(diǎn)受到敵方干擾或破壞時(shí)，分布式架構(gòu)的非視距紫外光通信系統(tǒng)能夠通過其他正常節(jié)點(diǎn)維持通信，保證通信的連續(xù)性。分布式架構(gòu)還可以根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)整節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和位置，以適應(yīng)不同的通信場(chǎng)景和大氣條件。在大氣散射較強(qiáng)的區(qū)域，可以增加節(jié)點(diǎn)的密度，提高信號(hào)的接收概率；在通信需求較低的區(qū)域，可以減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量，降低系統(tǒng)成本。4.3.2中繼技術(shù)應(yīng)用中繼技術(shù)在非視距紫外光通信中是一種有效的手段，用于克服大氣散射導(dǎo)致的信號(hào)衰減和傳播限制。其基本原理是在通信鏈路中設(shè)置中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)接收來自發(fā)射端的信號(hào)，經(jīng)過放大、處理后再轉(zhuǎn)發(fā)給接收端。當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)接收到發(fā)射端的紫外光信號(hào)時(shí)，由于大氣散射，信號(hào)已經(jīng)發(fā)生了衰減和畸變。中繼節(jié)點(diǎn)首先利用光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，去除噪聲和干擾，恢復(fù)信號(hào)的強(qiáng)度和波形。中繼節(jié)點(diǎn)再將處理后的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為紫外光信號(hào)，發(fā)射給接收端。通過中繼技術(shù)，可以有效延長(zhǎng)通信距離。在長(zhǎng)距離的非視距紫外光通信中，信號(hào)經(jīng)過大氣散射和吸收后，強(qiáng)度會(huì)急劇下降，無法直接傳輸?shù)浇邮斩?。通過設(shè)置中繼節(jié)點(diǎn)，可以在信號(hào)衰減到無法接收之前，對(duì)其進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的通信。在城市之間的非視距紫外光通信中，通過在中間位置設(shè)置中繼節(jié)點(diǎn)，可以將信號(hào)傳輸距離從幾公里延長(zhǎng)到幾十公里。中繼技術(shù)還能提高信號(hào)的穩(wěn)定性。中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)信號(hào)的處理可以有效減少大氣散射導(dǎo)致的信號(hào)衰落和畸變，使接收端接收到的信號(hào)更加穩(wěn)定。在大氣條件變化頻繁的情況下，中繼技術(shù)能夠及時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，保證通信質(zhì)量。4.3.3實(shí)際應(yīng)用案例分析在某城市的智能交通系統(tǒng)中，采用了分布式通信架構(gòu)和中繼技術(shù)相結(jié)合的非視距紫外光通信方案。該城市的交通路口和路段設(shè)置了多個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既可以作為發(fā)射端，向周圍車輛和其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送交通信息，如路況、信號(hào)燈狀態(tài)等，也可以作為接收端，接收來自其他節(jié)點(diǎn)和車輛的信息。在一些交通流量較大的路口，由于建筑物和車輛的遮擋，大氣散射對(duì)通信信號(hào)的影響較為嚴(yán)重。通過在這些路口設(shè)置中繼節(jié)點(diǎn)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)發(fā)，有效解決了信號(hào)衰減和傳播限制的問題。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，采用這種系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化方案后，非視距紫外光通信系統(tǒng)的通信性能得到了顯著提升。通信的可靠性大幅提高，在復(fù)雜的城市環(huán)境中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率從原來的10%降低到了1%以下，能夠穩(wěn)定地傳輸交通信息，為智能交通系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供了可靠的通信保障。通信距離也得到了有效延長(zhǎng)，在原來只能實(shí)現(xiàn)幾百米通信距離的情況下，通過中繼技術(shù)，通信距離延長(zhǎng)到了1公里以上，覆蓋范圍更廣，能夠滿足城市交通中車輛之間和車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信需求。這種系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化方案還提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。分布式通信架構(gòu)使得節(jié)點(diǎn)的部署更加靈活，可以根據(jù)交通流量和通信需求的變化，隨時(shí)增加或減少節(jié)點(diǎn)，以適應(yīng)不同的場(chǎng)景。在新的路段建設(shè)或交通流量變化較大的區(qū)域，可以方便地增加節(jié)點(diǎn)，提高通信系統(tǒng)的性能和覆蓋范圍。五、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析5.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與搭建5.1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c方案本實(shí)驗(yàn)旨在通過搭建非視距紫外光通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在不同大氣散射條件下進(jìn)行通信實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證理論分析和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，并評(píng)估應(yīng)對(duì)大氣散射影響的技術(shù)策略的有效性。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下：首先，設(shè)置不同的大氣散射場(chǎng)景，包括模擬不同氣溶膠濃度和濕度的大氣環(huán)境，以研究不同大氣條件下大氣散射對(duì)非視距紫外光通信系統(tǒng)性能的影響。在模擬高氣溶膠濃度環(huán)境時(shí)，通過向?qū)嶒?yàn)空間中釋放一定量的煙霧顆粒來增加氣溶膠粒子的數(shù)量；模擬不同濕度環(huán)境則使用濕度調(diào)節(jié)設(shè)備，將濕度分別控制在30%、50%和70%等不同水平。其次，分別采用未優(yōu)化的基礎(chǔ)非視距紫外光通信系統(tǒng)和應(yīng)用了信號(hào)處理技術(shù)、硬件優(yōu)化措施以及系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化方案的改進(jìn)型通信系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在基礎(chǔ)系統(tǒng)中，采用常規(guī)的紫外光源、探測(cè)器和簡(jiǎn)單的信號(hào)處理方式；在改進(jìn)型系統(tǒng)中，選用優(yōu)化后的紫外光源，如高功率、高調(diào)制帶寬的深紫外LED，搭配高性能的探測(cè)器，如經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的雪崩光電二極管，并運(yùn)用信道均衡、編碼調(diào)制等信號(hào)處理技術(shù)以及分布式通信架構(gòu)和中繼技術(shù)等系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化方案。通過對(duì)比兩種系統(tǒng)在相同大氣散射條件下的通信性能指標(biāo)，如誤碼率、傳輸距離和通信速率等，來評(píng)估各種技術(shù)策略對(duì)提升通信系統(tǒng)性能的效果。在相同的高氣溶膠濃度和50%濕度環(huán)境下，分別測(cè)量基礎(chǔ)系統(tǒng)和改進(jìn)型系統(tǒng)的誤碼率隨通信距離的變化情況，分析技術(shù)策略對(duì)誤碼率的影響。5.1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備與參數(shù)設(shè)置實(shí)驗(yàn)選用了波長(zhǎng)為260nm的深紫外LED作為紫外光源，該光源具有較高的發(fā)光效率和穩(wěn)定的輸出功率，其發(fā)射功率可在0-10mW范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，以滿足不同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)發(fā)射光功率的需求。在一些對(duì)信號(hào)強(qiáng)度要求較高的實(shí)驗(yàn)中，將發(fā)射功率設(shè)置為8mW；在研究發(fā)射功率對(duì)通信性能影響的實(shí)驗(yàn)中，逐步改變發(fā)射功率，觀察通信性能指標(biāo)的變化。接收端采用了經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的雪崩光電二極管（APD）作為探測(cè)器，其具有較高的靈敏度和響應(yīng)速度，能夠有效檢測(cè)經(jīng)過大氣散射后的微弱紫外光信號(hào)。為了提高探測(cè)器的抗干擾能力，在探測(cè)器前端設(shè)置了窄帶濾光片，只允許250-270nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紫外光通過，大大降低了背景噪聲的影響。實(shí)驗(yàn)中還使用了信號(hào)發(fā)生器，用于產(chǎn)生不同調(diào)制方式的電信號(hào)，如ASK、PPM等，以研究不同調(diào)制方式在大氣散射環(huán)境下的性能表現(xiàn)。在采用ASK調(diào)制方式時(shí)，設(shè)置載波頻率為1MHz，調(diào)制指數(shù)為0.5；采用PPM調(diào)制方式時(shí)，設(shè)置脈沖寬度為10ns，時(shí)隙數(shù)為8。使用示波器和誤碼儀對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，示波器用于觀察信號(hào)的波形，誤碼儀則用于測(cè)量誤碼率。在測(cè)量誤碼率時(shí)，設(shè)置測(cè)量時(shí)間為10分鐘，以確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。5.1.3實(shí)驗(yàn)環(huán)境模擬為了模擬不同的大氣散射條件，搭建了一個(gè)可調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。使用煙霧發(fā)生器和濕度調(diào)節(jié)器來控制實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)的氣溶膠濃度和濕度。通過調(diào)節(jié)煙霧發(fā)生器的工作參數(shù)，如煙霧產(chǎn)生量和釋放速度，將氣溶膠濃度分別設(shè)置為低、中、高三個(gè)等級(jí)。在低氣溶膠濃度環(huán)境下，氣溶膠粒子數(shù)濃度約為100cm^{-3}；在中等氣溶膠濃度環(huán)境下，約為500cm^{-3}；在高氣溶膠濃度環(huán)境下，約為1000cm^{-3}。通過濕度調(diào)節(jié)器將濕度控制在不同的水平，如30%、50%和70%。為了模擬不同的地形和遮擋情況，在實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)設(shè)置了不同形狀和高度的障礙物，如建筑物模型、樹木模型等。在模擬城市峽谷環(huán)境時(shí)，設(shè)置了兩排高度為2米的建筑物模型，間距為5米，以模擬建筑物對(duì)紫外光信號(hào)的遮擋和散射影響；在模擬山區(qū)環(huán)境時(shí)，設(shè)置了一些不規(guī)則形狀的障礙物，以模擬山區(qū)地形的復(fù)雜性。通過這些設(shè)置，盡可能地模擬出實(shí)際應(yīng)用中的各種大氣散射場(chǎng)景，為研究大氣散射對(duì)非視距紫外光通信系統(tǒng)性能的影響提供了真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。5.2實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)采集5.2.1實(shí)驗(yàn)步驟與操作流程在實(shí)驗(yàn)開始前，需對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行全面檢查和調(diào)試。仔細(xì)檢查紫外光源的輸出功率是否穩(wěn)定，確保其在實(shí)驗(yàn)過程中能夠持續(xù)、準(zhǔn)確地發(fā)射紫外光信號(hào)。對(duì)探測(cè)器的靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)，使其能夠精確地檢測(cè)到微弱的紫外光信號(hào)。對(duì)信號(hào)發(fā)生器、示波器和誤碼儀等設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和功能