紫外光通信链路模型优化方案

1）紫外光直视通信链路模型

由于紫外光波长短、易发生散射的特点，紫外光通信系统有3种模式，分别为直视通信、准直视（quasi-line of sight，QLOS）通信和非直视通信，在航空网络所处的高空大气环境中，若接收端和发送端之间没有阻碍光线传输的障碍物时，紫外光工作在直视通信模式下。紫外光LOS链路根据发散角和接收视场角的大小关系还可以分为宽发散角发送-宽视场角接收、窄发散角发送-宽视场角接收、窄发散角发送-窄视场角接收3种模式。

图9.1　“日盲”紫外光直视通信链路模型

当紫外光通信距离较长时，紫外光链路上的大气环境变化不可忽略，需要通过建立高空“日盲”紫外光直视链路模型来进行链路损耗计算，模型如图9.1所示。Pt为发射端，Pr为接收端，由于飞机间通常存在一定的高度差h，导致紫外光LOS链路发射端存在θt的发射仰角，发射端光源以发散角2φt向空间发出紫外光信号，发射端输出功率为Pt，发射天线增益为Gt=4π／2π（1-cosφt），透过率为ηt。链路距离为r，接收端以视场角2φr进行光信号的接收，并且正对发射端，探测面积为Ar，接收天线增益为Gr=4πAr／λ2，透过率为ηr。紫外光直视链路在自由空间中路径损耗与通信距离的平方成反比，可用［λ／（4πr）］2来表示，大气的消光系数垂直分布表示为Ke（z），消光系数与波长有关，z为高度积分变量，依据Bougue定律得到信号在大气中传播损耗的表达式为由此可以得到接收光功率的表达式为

由直视链路接收光功率公式可知：因为接收光功率与消光系数有关，所以与光载波波长也有关；随着通信距离增加，接收光功率明显降低。

2）紫外光非直视通信链路模型

当通信状况恶劣，接收端和发送端之间存在障碍物遮挡信号光不能直接到达接收端时，紫外光可以进行非直视通信。非直视通信是利用紫外光的散射特性实现的，只要发射机和接收机的视场有交叠既可进行非直视传输，根据光轴和水平轴之间的夹角θt不同，紫外光非直视通信又被分为NLOS（a）、NLOS（b）和NLOS（c）3种工作模式。(www.xing528.com)

“日盲”紫外光非直视链路3种工作模式如图9.2所示，图中阴影部分为有效散射区。NLOS（a）类通信方式为全向收发模式，发送端和接收端仰角均为90°，全方向性好，交叠空间无限，但是带宽窄传输距离短；NLOS（b）类通信方式为定向发送全向接收模式，发送端和接收端仰角有且仅有一个为90°，另一个小于90°；NLOS（c）类通信方式为定向收发模式，发送端和接收端仰角均小于90°，这种通信方式全方向性最差，但是带宽最宽，通信距离最远。

图9.2　“日盲”紫外光非直视链路3种工作模式

“日盲”紫外光非直视链路模型如图9.3所示，可以将非直视链路视为长度分别为r1和r2的两段直视链路，其中r1=r sinθr／sinθs，r2=r sinθt／sinθs。将共同散射粒子s视为一个单位散射微元，体积为d v，θs为入射光线与观测光线的夹角称为散射角，θs=θt+θr。在角度θt方向上，单位光束从发射端到散射微元由大气消光产生的损耗Lpt=经过散射体散射后，只有沿散射角θs方向的散射光进入接收视场，在θs方向上单位光束散射光功率与散射系数Ks（hs）和散射相函数p（cosθs）有关，散射光从散射粒子发出到达接收端，因为大气消光产生的损耗Lpr=其余参数表达与LOS链路模型相同，体积为V的散射体所发射的散射光被接收端探测到的功率为

图9.3　“日盲”紫外光非直视链路模型

从上述接收光功率公式分析来看，NLOS链路接收信号功率除了考虑和LOS相同的因素载波波长及通信距离外，还应当研究吸收系数和散射系数产生的影响。