《大气湍流对无线紫外光通信衰减特性分析》2015.12.8修改稿

2 Cn ( h ) 0.00594( v / 27) 2 (105 h )10 exp( h / 1000)
2.7 1016 exp( h / 1500) A exp( h / 100)
（3）
其中 h 是接收机海拔高度，v 是垂直于传输链路的随机风速，A 是近地面折射率结构参数的标称值， 2 即 C（ 的值.在数值计算中，v 通常取为 21 m/s, A 通常取为 1.7×10-14m-2/3. ） n 0
1 大气湍流介绍
大气湍流的宏观模型如图 1 所示，其中，L0 是湍流外尺寸，l0 是湍流内尺寸. 大气湍流引起的折 射率波动可以表示成[3]： (1) n ( r ) n 0 n1 ( r )
其中 r 是空间任一点 n0 n(r ) 1 是大气压折 射率的平均值，n1 ( r ) 是 n ( r ) 与其平均值的随
12
PS 0 / P S (1 1.63
12 / 5 1 1
F ) exp
（12）
信噪比 SNR(dB)
该功率比模型提出了一种由于大气湍流引起的 光束扩展和衰减并导致信噪比恶化的测量方法 . <PS>是平均信号功率，该比值通过 1 将湍流引 入 . a 是消光系数，由散射系数 ks 和吸收系数 ka 组成，即：a=ks +ka . 考虑由散射和吸收以及 大气湍流所引起的衰减， 可用下式近似信号的平 均功率[2].
Analysis of attenuation characteristics of atmospheric turbulence in wireless ultraviolet communication
WANG Jianyu, SONG Xiaomei, SONG Peng, SONG Fei, XIONG Yangyu (School of Electronic and Information, Xi’an Polytechnic University, Xi’an, 710048, China) Abstract: In order to verify the effect of the atmospheric turbulence on the UV attenuation, according to the mathematical model of the refractive index structure constant, SNR, and the fading probability. also, comparative and analysis methods was used. Analyzed the variation of refractive index structure constant with different height, SNR of the system and the attenuation of signal in different intensity of atmospheric turbulence. The results show that when the other conditions are same, the wavelength is smaller and the SNR is higher. The moderate intensity of atmospheric turbulence （ Cn2 =10-14 ） effect on SNR is lower about 20dB than without. The more stronger of turbulence and distance, the more greater attenuation of the signal. The effect of turbulence on communication attenuation can be reduced by increasing the receiving aperture. Key words: atmospheric turbulence; UV communication; SNR; fading probability


[2]
半径，WG 是软孔径半径. 各参数的表达式如下 [2,3]：
G 2 L / kWG
2
2
40 35
D =0.01m，SNR0 D =0.01m，SNR D =0.02m，SNR0 D =0.02m，SNR
(7)
2
30 25 20 15 10 5 0
E0 1 L / M 0 F0 2L / kW0
L
（14）
0 0 50 100 通信距离 L(m) 150 200
它和折射率结构常数以及波数（k=2π/λ） 密切相 关，该波长在紫外光波段. 有无大气湍流时系统的 SNR 随通信距离的 变化规律如图 2 所示. 接收孔径和通信距离相同 时，有大气湍流的 SNR 比无大气湍流时的 SNR 小约 20dB. SNR 随通信距离的增大而减小， 通信 距离小于 200m 时，SNR 随距离的增大而减小的 更快. 接收孔径从 0.01m 增大到 0.02m 时，SNR 增大约 4dB， 可见增大接收孔径可以提高系统的 SNR . 在大气湍流影响下，不同接收孔径的 SNR 随通信距离的变化趋势如图 3 所示. SNR 随通信 距离的增大而减小，并且接收孔径越大， SNR 越 大， 通信距离较小时， SNR 随距离的增大减小的 更快. 通信距离从 1m 增大到 200m 时，SNR 减 小约 5dB. SNR 随通信距离的变化而变化， 同时也受传 输波长的影响， 如图 4 所示. 在紫外光波段， SNR 随通信距离增大而减小，当通信距离相同时，波 长越大，SNR 越小.
2
图 1.大气湍流的宏观模型 Fig 1. Macro model of atmospheric turbulence
2 2 Cn 的典型值是从 10−17 m−2 到 10−12 m−2/3. 对于上行，下行和倾斜路径的自由空间来说， Cn 是高度的
函数，利用 Hufnagd-Valley 改进的经验模型简单的表示为[3]：
10
8 D =0.01m D =0.006m 6
exp( aL) PS (1 / 8)D 2 I (0, L) （13） 12 / 5 1 1.63 1 F1 其中 I2 是 Rytov 方差，表达式如下[2]:
4
2
1.23C k
2 1
2 7 / 6 11 / 6 n
术和蒙特卡洛光子追踪法分别在文献[4-7]中进行了研究。文献[8]分析了紫外光在大气湍流下的接收 功率和湍流功率谱密度，并且验证了折射率结构常数与通信距离之间的关系. 文献[9]利用大气湍流 指数与光强方差来分析大气湍流与无线光通信系统的信噪比之间的关系。文献[10]对比了大气湍流 引起的光强闪烁模型：对数正态模型，gamma-gamma 和 K 分布. 文献[11]利用对数正态分布和非直 视链路的湍流模型， 计算了不同路径的信号的概率密度函数. 文献[12]指出多孔径接收技术能克服大 气湍流引起的光强闪烁，从而改善通信系统的性能。文献[13-15]均研究了关于无线光通信湍流功率 谱和接收功率等模型， 并提出了能削弱大气湍流影响的方法. 文献[16]比较了在公路和近海面附近由 于折射率结构常数的变化而引起信号衰落概率的变化. 为了更加明确大气湍流对紫外光通信系统的衰减作用，通过改进研究方法，着重研究波长和通 信距离等参数与系统衰减特性之间的关系. 利用 Hufnagd-Valley 改进的经验模型来验证折射率结构 常数随接收机高度的变化规律. 根据大气湍流引起的光强闪烁衰减和 Rytov 方差等参数来验证有无 大气湍流时系统的衰减特性. 对比不同波长， 不同通信距离时的信噪比和衰落概率. 最后根据接收光 强阈值参数，用衰落概率来近似大气湍流引起的信号衰减.
机偏差，均值为 0. 在各项同性湍流中，折射 率结构函数定义如下[3]： 2 2/3 Cn R l0 R L0 Dn ( R ) 2 （ 2） 4 / 3 2 Cn l0 R l0 R L0 其中，R 是空间两点之间的距离， Cn 是折射 率结构常数， 一般认为折射率结构常数越大， 湍流越强. 对于自由空间光通信的水平链 2 路，可认为 Cn 是常数. 从弱湍流到强湍流，
2
( M 0 ) E0 1 F1 2L / kW1 SNR0 PS 0 / PS ASNR0
2 2
(9)
当考虑大气湍流时系统的信噪比表达式如下[2]：
SNR
其中，A
(10)
信噪比 (dB)
W1 W0 ( E0 F0 )1 / 2
(8)
是孔径平均因子，可由下式计算[2]：
图 3. 在大气湍流情况下，信噪比随通信距离的变化趋势 Fig 3. In the case of atmospheric turbulence, the SNR changes with the communication distance
0 引言
在自由空间非直视紫外光通信中[1]大气湍流会导致传输光束许多物理量的随机变化，表现在信 号衰落、光强闪烁、光束扩展等形式[2,3]，导致系统性能严重降低，是物理学和无线通信有待完全解 决的难题[. 为了研究大气湍流对紫外光通信的影响, 紫外光单次散射链路模型、组网算法、接入技
收稿日期 : 2015-11-05 基金项目 : 国家自然科学基金委员会 -中国民航局民航联合研究基金资助项目(U1433110)；陕西省自然科学基础研究计划资助项目 （2013JC2-15）；“陕西省教育厅科研计划项目资助”项目（14JK1319） 通讯作者 : 宋晓梅 (1958—)，女，陕西省西安人，西安工程大学教授，研究方向为紫外光无线通信、嵌入式开发、Android 平台下 的应用开发. E-mail: wjy308939432 @