一種非直視紫外光通信單次散射過程路徑損耗計算方法技術

本發明專利技術公開了一種非直視紫外光通信單次散射過程路徑損耗計算方法，具體按照以下步驟實施：步驟1：設定發射端和接收端的參數，定義區域V′，公共散射體求出V′的范圍；步驟2：將區域V′分為若干個微元V，在球坐標系中，得到微元的坐標；步驟3：遍歷區域V′分割成的若干個微元V，判斷微元V是否在公共散射體V內，如果在公共散射體V內計算被微元V散射后被Rx接收到的能量，將被微元V散射后被Rx接收到的能量相加，計算得到Rx接收到的總能量，求出路徑損耗。本發明專利技術一種非直視紫外光通信單次散射過程路徑損耗計算方法，仿真時間短，能夠很容易的計算出通信系統的路徑損耗，與MC方法的仿真結果擬合度高。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于紫外光通信
，具體涉及一種非直視紫外光通信單次散射過程路徑損耗計算方法。
技術介紹
紫外光通信就是把紫外光作為信息傳輸的載體，將需要傳輸的信息加載到紫外光上，以實現信息的發送和接收。在無線激光通信中，采用的是直視的通信方式，即發射端與接收端必須對準。非直視通信是指發射端發射出的紫外光子在大氣中傳輸時，由于紫外光波長很短，被大氣粒子散射而能夠繞過障礙物到達接收端的過程。只要發射端發散角能夠與接收端接收視場角在空中形成公共散射體，那么非直視(non-line-of-sight，NLOS)通信就變得可能。當直視通信無法實現時，NLOS通信則能保證發射端和接收端之間通信的暢通。關于NLOS紫外光大氣傳輸的理論模型現在采用的主要方法有單次散射近似法和蒙特卡羅(MonteCarlo，MC)方法。經典的單次散射模型通過三重積分求通信系統的路徑損耗(pathloss，PL)，但是，在仿真過程中復雜的三重積分很難實現。如果用簡化公式來代替三重積分，要求公共散射體是閉合的，發散角和接收視場角比較小。MC方法是一種以概率統計理論為基礎的計算方法，可以通過MC方法來對單次散射傳輸過程進行仿真，但是存在計算量大，耗時久的問題。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種非直視紫外光通信單次散射過程路徑損耗計算方法，解決了現有的經典單次散射模型仿真困難和MC算法仿真時間過長的問題。本專利技術所采用的技術方案是，一種非直視紫外光通信單次散射過程路徑損耗計算方法，具體按照以下步驟實施：步驟1：設定發射端和接收端的參數，定義區域V′，公共散射體求出V′的范圍；步驟2：將區域V′分為若干個微元V\，在球坐標系中，得到微元的坐標；步驟3：遍歷區域V′分割成的若干個微元V\，判斷微元V\是否在公共散射體V內，如果在公共散射體V內計算被微元V\散射后被Rx接收到的能量，將被微元V\散射后被Rx接收到的能量相加，計算得到Rx接收到的總能量，求出路徑損耗。本專利技術的特點還在于，步驟1具體為：在紫外光NLOS通信中，CT和CR分別表示發射端Tx的發散角圓錐和接收端Rx的視場角FOV圓錐，點T為CT的頂點，點R為CR的頂點，點H為CT的任意橫切面的圓心，點L為CR的任意橫切面的圓心，即TH為CT的中心軸線，RL為CR的中心軸線，發射端發散半角為發射仰角為TH和其在XOY平面投影的夾角θt，坐標原點O與點T重合，接收端視場半角為接收仰角為RL和其在XOY平面投影的夾角θr，TH在XOY平面的投影與X軸的夾角αt是CT的偏軸角，RL在XOY平面的投影與X軸的夾角αr是CR的偏軸角，d是點T到點R的直線距離，(θt,αt)和(θr,αr)確定了CT和CR的方向；發散角圓錐和FOV圓錐的公共區域為公共散射體V，即V＝CT∩CR，點S為公共散射體V內的散射點，發射端發射一個光子，光子在點S被散射，在以坐標原點為參考點，由方位角、頂角和距離構成球面坐標系下，OS與Z軸的夾角θ為光子入射的頂角，OS在XOY平面的投影與X軸的夾角α為方位角，從發射端T到點S的距離為r，光子的入射方向和指向接收端的散射方向構成的夾角為散射角βs，ζ為散射點S和點R的連線與RL構成的夾角，r'是從點S到接收端R的距離；光子在傳輸的過程中，遇到V內的體積微元δV發生散射，到達Rx的能量dEr為：δEr=EtArksP(cosβs)cosζ4πΩtr2r′2e-ke(r+r′)δV---(1)]]>其中是Rx的立體角，Et是發射光束能量，Ar是接收探測面面積，P(cosβs)是散射相函數，ke是消光系數，吸收系數ka和散射系數ks之和構成了通信過程中大氣的消光系數ke，即ke＝ks+ka；散射相函數P(cosβs)是瑞利散射相函數PR(cosβs)和米氏散射相函數PM(cosβs)的加權和：P(cosβs)=ksRksPR(cosβs)+ksMksPM(cosβs)---(2)]]>其中，ksR是瑞利散射的散射系數，ksM是米氏散射的散射系數，ks＝ksR+ksM；瑞利散射相函數PR(cosβs)為：PR(cosβs)=3[1+3γ+(1-γ)cos2βs]4(1+2γ)---(3)]]>米氏散射相函數PM(cosβs)為：PM(cosβs)=(1-g2)[1(1+g2-2gcosβs)3/2+f0.5(3cos2βs-1)(1+g2)3/2]---(4)]]>其中，γ、g和f是模型參數；在球坐標系中，體積微元為δV＝r2sinθδθδαδr，則，被公共散射體V散射后被Rx接收到的總能量Er為：Er=EtArks4πΩt∫∫∫VP(cosβs)cosζsinθr′2e-ke(r+r′)δθδαδr---(5)]]>定義區域V′，范圍為[θmin,θmax]、[αmin,αmax]、[rmin,rmax]，使θmin和θmax為：過點H做線GH平行于XOY平面，G點為線GH與CT的交點，G點在XOY平面的投影為G'，在線TH上選取任意一點E，E點在XOY平面的投影為E'，應用三角定理，則，αmin和αmax為：對于共面的情況，公共散射體的體積是最大的，TP是發散角圓錐的中心軸線，RQ是FOV圓錐的中心軸線，P點在XOY平面的投影為P'，Q點在XOY平面的投影為Q'，點K、M、U、W為CT和CR的四個交點，∠PTP′＝θt,∠QRQ′＝θr,∠UTP和∠PTM等于∠KRQ和∠QRM等于所以，對于△UTR，由正弦函數可得，UT為：同樣的，另rmin＝min[UT,MT],rmax＝max[WT,KT](10)對于無界的公共散射體V，rmax→∞，至此，區域V′的范圍可得。步驟2具體為：設置3個整數Nr、Nα、Nθ，區域[rmin,rmax]、[αmin,αmax]和[θmin,θmax]分別被分為Nr、Nα、Nθ等份，因此區域V′被分為了NrNαNθ個微元V\，另Nr、Nα、Nθ均等于N，那么區域V′就被分為了N3個微元V\，假設3個本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種非直視紫外光通信單次散射過程路徑損耗計算方法，其特征在于，具體按照以下步驟實施：步驟1：設定發射端和接收端的參數，定義區域V′，公共散射體求出V′的范圍；步驟2：將區域V′分為若干個微元V，在球坐標系中，得到微元的坐標；步驟3：遍歷區域V′分割成的若干個微元V，判斷微元V是否在公共散射體V內，如果在公共散射體V內計算被微元V散射后被Rx接收到的能量，將被微元V散射后被Rx接收到的能量相加，計算得到Rx接收到的總能量，求出路徑損耗。

【技術特征摘要】
1.一種非直視紫外光通信單次散射過程路徑損耗計算方法，其特征在
于，具體按照以下步驟實施：
步驟1：設定發射端和接收端的參數，定義區域V′，公共散射體求出V′的范圍；
步驟2：將區域V′分為若干個微元V\，在球坐標系中，得到微元的坐標；
步驟3：遍歷區域V′分割成的若干個微元V\，判斷微元V\是否在公共
散射體V內，如果在公共散射體V內計算被微元V\散射后被Rx接收到的能
量，將被微元V\散射后被Rx接收到的能量相加，計算得到Rx接收到的總
能量，求出路徑損耗。
2.根據權利要求1所述的一種非直視紫外光通信單次散射過程路徑損耗
計算方法，其特征在于，所述步驟1具體為：
在紫外光NLOS通信中，CT和CR分別表示發射端Tx的發散角圓錐和
接收端Rx的視場角FOV圓錐，點T為CT的頂點，點R為CR的頂點，點H
為CT的任意橫切面的圓心，點L為CR的任意橫切面的圓心，即TH為CT的中心軸線，RL為CR的中心軸線，發射端發散半角為發射仰角為TH
和其在XOY平面投影的夾角θt，坐標原點O與點T重合，接收端視場半角
為接收仰角為RL和其在XOY平面投影的夾角θr，TH在XOY平面的
投影與X軸的夾角αt是CT的偏軸角，RL在XOY平面的投影與X軸的夾角
αr是CR的偏軸角，d是點T到點R的直線距離，(θt,αt)和(θr,αr)確定了
CT和CR的方向；
發散角圓錐和FOV圓錐的公共區域為公共散射體V，即V＝CT∩CR，點
S為公共散射體V內的散射點，發射端發射一個光子，光子在點S被散射，
在以坐標原點為參考點，由方位角、頂角和距離構成球面坐標系下，OS與
Z軸的夾角θ為光子入射的頂角，OS在XOY平面的投影與X軸的夾角α
為方位角，從發射端T到點S的距離為r，光子的入射方向和指向接收端的
散射方向構成的夾角為散射角βs，ζ為散射點S和點R的連線與RL構成的
夾角，r'是從點S到接收端R的距離；
光子在傳輸的過程中，遇到V內的體積微元δV發生散射，到達Rx的
能量δEr為：
δEr=EtArksP(cosβs)cosζ4πΩtr2r′2e-ke(r+r′)δV---(1)]]>其中是Rx的立體角，Et是發射光束能量，Ar是接收探測
面面積，P(cosβs)是散射相函數，ke是消光系數，吸收系數ka和散射系數ks之和構成了通信過程中大氣的消光系數ke，即ke＝ks+ka；
散射相函數P(cosβs)是瑞利散射相函數PR(cosβs)和米氏散射相函數
PM(cosβs)的加權和：
P(cosβs)=ksRksPR(cosβs)+ksMksPM(cosβs)---(2)]]>其中，是瑞利散射的散射系數，是米氏散射的散射系數，瑞利散射相函數PR(cosβs)為：
PR(cosβs)=3[1+3γ+(1-γ)cos2βs]4(1+2γ)---(3)]]>米氏散射相函數PM(cosβs)為：
PM(cosβs)=(1-g2)[1(1+g2-2gcosβs)3/2+f0.5(3cos2βs-1)(1+g2)3/2]---(4)]]>其中，γ、g和f是模型參數；
在球坐標系中，體積微元為δV＝r2sinθδθδαδr，
則，被公共散射體V散射后被Rx接收到的總能量Er為：
Er=EtArks4πΩt∫∫∫VP(cosβs)cosζsinθr′2e-ke(r+r′)δθδαδr---(5)]]>定義區域V′，范圍為[θmin,θmax]、[αmin,αmax]、[rmin,rmax]，使θmin和θmax為：
過點H做線GH平行于XOY平面，G點為線GH與CT的交點，G點在
XOY平面的投影為G'，在線TH上選取任意一點E，E點在XOY平面的投
影為E'，應用三角定理，則，αmin和αmax為：
對于共面的情況，公共散射體的體積是最大的，TP是發散角圓錐的中
心軸線，RQ是FOV圓錐的中心軸線，P點在XOY平面的投影為P'，Q點
在XOY平面的投影為Q'，點K、M、U、W為CT和CR的四個交點，∠PTP′＝θt,
∠QRQ′＝θr,∠UTP和∠PTM等于∠KRQ和∠QRM等于所以，
對于
△UTR，由正弦函數可得，UT為：
同樣的，
另
rmin＝min[UT,MT],rmax＝max[WT,KT](10)
對于無界的公共散射體V，rmax→∞，
至此，區域V′的范圍可得。
3.根據權利要求2所述的一種非直視紫外光通信單次散射過程路徑損耗
計算方法，其特征在于，所述步驟2具體為：
設置3個整數Nr、Nα、Nθ，區域[rmin,rmax]、[αmin,αmax]和[θmin,θmax]分
別被分為Nr、Nα、Nθ等份，因此區域V′被分為了NrNαNθ個微元V\，另Nr、
Nα、Nθ均等于N，那么區域V′就被分為了N3個微元V\，假設3個整數i、...

【專利技術屬性】
技術研發人員：宋鵬，宋菲，王建余，熊揚宇，
申請(專利權)人：西安工程大學，
類型：發明
國別省市：陜西;61