紫外光通信系統的能量密度分布研究

紫外光通信系統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（）對該段的強吸收，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。與傳統通信方式相比,紫外光通信具有以下優(yōu)點:(1)數據傳輸的保密性高。由于大氣的強吸收作用,系統輻射的紫外光通信信號強度按指數規(guī)律衰減,這種強度衰減是距離的函數。因此,可根據通信距離的要求來調整系統的輻射功率,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)系統抗干擾能力強。(3)可用于非視距通信。(4)無需ATP跟蹤。目前,國內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,對特定角度下能量分布進行了分析,但沒有進行信道結構參數對傳輸性能影響的研究。本文利用非視距單散射模型,對紫外光通信大氣信道模型進行了研究。1交叉部分單散射的能量圖1所示為三種不同單對單傳輸系統模式。由圖可以看出,光信號只有通過發(fā)射仰角和接收仰角交叉部分的散射體散射后,才能到達接收機。光信號離開光源到達接收機的數量是由系統的幾何結構和大氣散射因子(ks)、衰減因子(ke)決定的。幾何結構主要包括光束孔徑角、發(fā)射機和探測接收機仰角以及傳輸距離等。其中,發(fā)射機和探測接收機的仰角分別為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。探測接收機接收到的能量是通過計算位于交叉部分經大氣散射光信號的數量得出的。本文通過非視距單散射模型計算探測接收機接收到的能量。假設發(fā)射機在t=0時刻,發(fā)射脈沖能量為QT;發(fā)射機固有圓錐角為?T=4πsin2(θT/2),則探測器接收到的式中ξ為徑向坐標;η為角坐標;φ為方位角坐標;P(θs)為單散射相位函數;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分別為到達交叉部分最小矢徑、最大矢徑的時間。對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)射能量經衰減后的能量與散射體散射能量的乘積在時間范圍內積分,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,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。本文通過改變系統結構參數βT、βR、θR、θT和傳輸距離r,研究系統結構參數對傳輸損耗L、延時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)范圍內間隔1o變化。通過仿真可得出,損耗與接收孔徑角的關系如圖2(與圖1系統分別對應)所示。由圖2可得出:發(fā)射孔徑角固定時,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(考慮到實際系統,θT一般取小于45o)時,得到與前面相同的結論。βR、βT取不同值時,仍可得到同樣的結論。理論上,根據非視距單散射模型、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,與仿真結果吻合。因此在紫外光通信系統設計過程中,在保密通信距離內,應采用斜收發(fā)的情況,減少系統傳輸損耗,降低對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,取θR=15o,r=500m,θT在(1o,45o)內間隔1o變化。通過仿真可得出損耗延時與接收孔徑角的關系如圖3所示,損耗與接收孔徑角的關系如圖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,延時、損耗都在減小。發(fā)射孔徑角固定時,接收孔徑角與延時、損耗關系相同。理論上,根據非視距單散射模型,當發(fā)射與接收孔徑角增大時,信道容量增大,最小矢徑值減小;信道容量增大時,接收能量增大,損耗減少。延時與最小矢徑大小有關,最小矢徑值減小時,延時減小,與圖3、圖4的仿真結果相一致。因此,紫外光系統設計過程中,應選取大光束孔徑進行傳輸,降低傳輸損耗,減小延時。2.3不同傳輸距離的仿真結果取θR=θT=15o,通過仿真可以得到距離與發(fā)射接收機仰角不同情況下,能量密度分布如圖5、圖6所示;傳輸距離與損耗、延時、脈沖半寬展寬關系如表1所示。通過仿真曲線和表格數據得出:隨著傳輸距離的增加,損耗、延時、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,損耗增大;最小矢徑值增大時,延時增大,脈沖展寬加寬。與圖5、圖6和表1的仿真結果相吻合。從以上三個方面的仿真可以得出結論:為了減小系統的傳輸損耗,在系統設計過程中,發(fā)射機和接收機應采用斜收發(fā)(仰角取值均小于90o);光束孔徑角的選擇應盡可能大,這樣將減少系統傳輸損耗和脈沖延時,便于探測器接收;距離的增大,將增加傳輸損耗和脈沖延時,在實際通信過程中應根據不同的傳輸距離選取結構參數。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、地形復雜的保密通信,并且克服了無線通信易被監(jiān)聽的弱點,大大減少了通信設備和線路的開設及拆除時間。本文通過仿真分析,對信道模型的幾個主要參數進行了研究,為實際系統的設計提供了依據:(1)系統傳輸損耗通常在100dB以上,不同傳輸距離的通信,對應的損耗值不同,因此實際通信系統設計過程中應采用合適的結構參數達到傳輸目的。(2)脈