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单次散射非视距紫外光通信非共面模型的对比研究

时间:2016-07-04来源: 作者: 点击: 87次



摘要:为了验证椭球坐标及球坐标下的单次散射非共面模型的正确性,本文首先采取当发射偏轴角及接收偏轴角为零时这两种模型应该退化为共面模型而与单次散射共面模型进行对比。其次,把椭球坐标及球坐标下这两种单次散射非共面模进行相互对比。研究结果发现,当发射偏轴角及接收偏轴角为零时,这两种模型皆退化为经典共面模型,并且这两种模型是统一的,从而进行了相互验证。

关键词  非视距;紫外光通信;单次散射;非共面模型;

中图分类号 TN929.1           文献标识码 A

Study of Non-Line-Of-Sight Ultraviolet single-scatter non-coplanar  Communication Model

Wang Tai-rong  Li Xing-hua  Wu Hui-juan  Feng Chun-jie  Guo Xiao-tian  Kuang Yu-yang

 (School of Mathematics Physics, Anshun University, Anshun, Guizhou 561000,China)

Abstract: In order to verify the correctness of the non-coplanar single-scatter model in ellipsoidal coordinates and spherical coordinates. First of all, this paper studies that the two models should be turned into the coplanar model when the transceiver off-axis angles are zero. Secondly, the two models are compared with each other. The results find that the two models can be turned into the coplanar model when the transceiver off-axis angles are zero, and the two models are unified, thereby mutually authenticate each other.

Key words  Non-Line-Of-Sight; Ultraviolet Communication; single-scatter; The non-coplanar model;

 

1 引言

紫外光通信是以紫外大气传输特性为基础的,通常采用波长位于200-280nm日盲区的紫外光进行通信,因为该波段内大气分子和气溶胶粒子对紫外光的吸收很强烈,从而使得在一定距离内无法窃听,使其安全性十分高。紫外光通信因为具有很强的抗干扰性及高保密性而备受关注,此外,其具有全天候工作及全方位性好等优势而受到越来越多人的研究[1-5]。单次散射的研究一般基于经典的单次散射共面模型理论[6],本文基于椭球坐标及球坐标来研究单次非共面模型,它是共面模型的进一步推广,可设置参数使之退化为共面模型来与经典单次散射共面模型对比;此外,基于两种坐标的非共面模型进行相互验证。

2 单次散射非共面模型

     单次散射非共面模型[7-11]是在经典单次散射模型的基础上,引入发射偏轴角及接收偏轴角,即发射偏轴角及接收偏轴角不为零。本文下面研究基于椭球坐标及球坐标下的单次散射非共面模型的路径损耗。

2.1 基于椭球坐标的单次散射非共面模型

如图1所示,为接收装置和发射装置之间的距离,为接收视场半角,为发射视场半角,为接收仰角,为发射仰角,为接收偏轴角,为发射偏轴角,为散射角。

1椭球坐标下的单次散射非共面模型

假设时刻,能量为的紫外脉冲光子经发射装置发出,经过时间后,非共面椭球坐标下接收装置接收到的通量密度为

        (1

可以表示为

    2

式(1)对进行积分,有

      (3    

三组积分上下限的求解见[2]

可以表示为

        4

式(3)对时间进行积分,即可得到椭球坐标下单次散射非共面模型下接收装置接收到的能量密度为

                        5

则接收装置接收到的能量为

                                                                (6)                                  

定义单次散射的路径损耗为:

                             (7)        

2.2 基于球坐标的单次散射非共面模型

基于球坐标系,建立了球坐标系下的单次散射非共面模型。如图2所示,为接收器到发射器之间的距离。为接收仰角,为发射仰角,为接收视场半角,为发射视场半角,为接收偏轴角,为发射偏轴角,为方位角,为天顶角,为散射角,为接收圆锥轴线与接收光束之间的夹角。

2 基于球坐标下的单次散射非共面模型

根据经典单次散射理论,接收装置接收到来自体积元的能量为

                                                 (8)

其中为发射固有圆锥角,且

在球坐标系下,

到达接收装置的能量为

                   9

三组积分限的求解见[6]

经过三角函数关系的计算可得

                                                                                  (10)

                                                                                         (11) 

                      (12)  

定义单次散射的路径损耗为

                                                             13

3 对比仿真研究

3.1 椭球坐标下单次散射非共面模型退化为共面模型

时,椭球坐标下的非共面模型应该退化为经典共面模型,下面针对椭球坐标下的非共面模型退化为共面后与经典共面模型作对比。选取参数,,而,。采用Fortran仿真两种模式下路径损耗随传输距离的变化,导出的数据采用Origin75作图,结果如图3所示。

图3 椭球坐标下非共面退化为共面后与共面模型进行路径损耗对比

由图3可知,椭球坐标下非共面模型退化为共面后的路径损耗随传输距离的变化曲线和经典共面模型下路径损耗随传输距离的变化曲线重合得很好,说明了本文程序的正确性。

3.2 球坐标下单次散射非共面模型退化为共面模型

时,球坐标下的非共面模型应该退化到共面模型。选取参数同上。采用Fortran仿真两种模式下路径损耗随传输距离的变化,导出的数据采用Origin75作图,结果如图4所示

图4球坐标下非共面退化为共面后与共面模型进行路径损耗对比

由图4可知,球坐标下非共面模型退化为共面后的路径损耗随传输距离的变化曲线和经典共面模型下的路径损耗随传输距离的变化曲线重合得很好,说明了本文程序的正确性。

3.3 椭球坐标与球坐标下单次散射非共面模型的对比研究

上面已经验证了当发射偏轴角及接收偏轴角为零时这两种模型可退化为经典单次散射共面模型。下面将椭球坐标下的非共面模型与球坐标想的非共面模型作对比,参数设置为其它参数同上。

两种坐标下非共面模型进行路径损耗的对比

由图5可知,椭球坐标下非共面模型的路径损耗曲线与球坐标下非共面模型的路径损耗曲线曲线吻合很好,从而验证了两种模型是统一的,以及所编写的程序是正确的。

4 总结

本文对椭球坐标及球坐标下单次散射非共面模型的路径损耗进行了研究,验证了在发射偏轴角及接收偏轴角为零时,这两种模型的理论刚好和共面模型理论吻合。此外,通过研究路径损耗随传输距离的变化,得出椭球坐标下的单次散射非共面模型与球坐标下的非共面模型是吻合的,两者进行了相互验证。今后将进一步研究基于球坐标下的共面模型,与上述模型进行对比研究。

 

 

 

 

参考文献:

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[11] Y. Zuo, H. Xiao, J. Wu, et al., A single-scatter path loss model for non-line-of-sight ultraviolet channels [J]. Optics Express, 2012, 20: 10359-10369.

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