非直视紫外光通信单散射的路径损耗模型的简化方法

1.本发明属于无线紫外光通信技术领域，具体涉及一种非直视紫外光通信单散射的路径损耗模型的简化方法。


背景技术：

2.大气中存在的大量粒子会使无线紫外光在传输过程中出现散射现象，这种散射特性使无线紫外光通信系统能以非直视(nlos)的方式传输信号，克服了自由空间光通信必须工作在直视方式的弱点，从而能适应复杂的通信环境。通信过程中，信号发送端和接收端的空间重叠区域为有效散射体，有效散射体对通信性能中的路径损耗模型有着至关重要的影响，但是由于其不规则的形状和复杂的性质往往不容易进行计算，因此对其进行合适的简化计算是非常有必要的。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供非直视紫外光通信单散射的路径损耗模型的简化方法，解决了目前在通信过程中，信号发送端和接收端的空间重叠区域的有效散射体性质较为复杂的一部分问题。
4.本发明所采用的技术方案是，
5.非直视紫外光通信单散射的路径损耗模型的简化方法，具体包括以下步骤：
6.步骤1：将非共面条件下紫外光单散射通信系统转换为数学模型；
7.步骤2：基于数学模型，通过模型简化和数学推导将紫外光散射体进行微分切片划分，得到切片面积；然后对切片面积进行求积分，可以算得紫外光散射体在三维空间下的有效体积；
8.步骤3：最后通过简化后的散射体的体积得到所需要的路径损耗模型。
9.本发明的特点还在于，
10.将非共面条件下紫外光单散射通信系统中的有效散射体转化为圆形薄板的叠加，再通过对圆形薄板的面积进行积分计算；其中，发射端为tx，坐标为(0,r,0)，接收端为rx，坐标为(0,0,0)，接收端与发射端之间的距离为r，发射端的发射波束和接收端的视场角均为圆锥体。
11.步骤2具体为：将散射体切分为若干圆形薄片，使每个薄板都垂直于发射波束的轴，对圆形薄板的面积进行积分求得散射体体积；圆形薄板半径为微分体积为如下公式(1)：
[0012][0013]
其中ds是圆板的面积，r1表示从发射端到散射点的距离，β
t
为全发散角。
[0014]
发射波束轴的参数方程可以通过收发端的为如下公式(2)：
[0015][0016]
其中r1表示从发射端到散射点的距离，θ
t
表示从z轴正方向测量的tx光束轴，φ
t
表示发射端从x轴正方向测量的tx光束轴，r表示接收端与发射端之间的距离。
[0017]
视场角锥的锥面方程为如下公式(3)；
[0018][0019]
其中，(x,y,z)表示发射波束轴的三维参数，θr表示从z轴正方向测量的rx视场角轴的倾角，φr表示接收端从x轴正方向测量的rx视场角轴的方位角，βr为全视场角。
[0020]
联立式(2)和式(3)，可得如下公式(4)：
[0021]
a1r
12
b1r1 c1＝0
ꢀꢀꢀ
(4)；
[0022]
其中a1,b1,c1均为常参数。
[0023]
根据数学公式推导，得到公式(4)的解集如下公式(5)：
[0024][0025]
因此r
1min
＝min(r1)，r
1max
＝max(r1)；
[0026]
根据高斯-勒让德求积法则得如下公式(6)：
[0027][0028]
其中qr为接收端接收到的能量，可以直接测得，q
t
为已知的发射端能量，r
1max
与r
1min
分别为体积积分的上下限，由具体的接收器性能确定，tk为勒让德多项式的k次根，权重
[0029]
步骤3具体为：紫外光系统的路径损耗以分贝为非共面条件下紫外光单散射通信系统的简化后的路径损耗模型如下公式(12)：
[0030][0031]
其中，其中，由具体的接收器性能确定，tk为勒让德多项式的k次根；β
t
≤βr表示接收视场角大于等于发散角，属于窄波束情况；βr＜β
t
表示发散角大于接收视场角，属于窄视场角情况。
[0032]
步骤3中，简化后的路径损耗模型应满足以下要求：
[0033]
在窄波束情况下，tx轴应与rx的锥体有两个交点；
[0034]
在窄视场角情况下，rx轴应与tx的锥体有两个交点。
[0035]
本发明的有益效果是，本发明非直视紫外光通信单散射的路径损耗模型的简化方法，在计算散射体体积时将散射体简化为圆形薄板进行积分，可以将不规则的形状简化为规则形状，能够通过更简单的计算方法计算得更准确的散射体体积。
[0036]
通过高斯-勒让德求积法则简化路径损耗模型，同时考虑发射端的窄波束和接收端的窄视场角两种情况，计算得到路径损耗模型的具体表达式。
附图说明
[0037]
图1是本发明非直视紫外光通信单散射的路径损耗模型的简化方法中非共面条件下紫外光单散射通信系统的示意图；
[0038]
图2是本发明非直视紫外光通信单散射的路径损耗模型的简化方法中窄波束条件下单散射紫外通信系统的示意图；
[0039]
图3是本发明非直视紫外光通信单散射的路径损耗模型的简化方法中窄视场条件下单散射紫外通信系统的示意图。
具体实施方式
[0040]
下面结合附图和具体实施方式对本发明非直视紫外光通信单散射的路径损耗模型的简化方法进行详细说明。
[0041]
非直视紫外光通信单散射的路径损耗模型的简化方法，具体包括以下步骤：
[0042]
步骤1：将非共面条件下紫外光单散射通信系统转换为数学模型；其中，发射端为rx，坐标为(0,0,0)，接收端为tx，坐标为(0,r,0)，接收端与发射端之间的距离为r，发射端的发射波束和接收端的视场角均为圆锥体；
[0043]
步骤2：基于数学模型，通过模型简化和数学推导将紫外光散射体进行微分切片划分，得到切片面积；然后对切片面积进行求积分，可以算得紫外光散射体在三维空间下的有效体积；
[0044]
步骤3：最后通过简化后的散射体的体积得到所需要的路径损耗模型。
[0045]
下面通过具体的实施例对本发明非直视紫外光通信单散射的路径损耗模型进行进一步详细说明。
[0046]
1)，如图1所示，rx为发射端，坐标为(0,0,0)，tx为接收端，坐标为(0,r,0)，接收端与发射端之间的距离为r，发射端的发射波束和接收端的视场角均为圆锥体。nlos紫外通信经常用作短距离通信，发送端和接收端之间的距离通常为几十米，可以忽略湍流对散射体的影响，只考虑散射体的体积。
[0047]
2)窄波束条件下单散射紫外通信系统；由于散射体的不规则性，计算其体积时通常采用的三重积分的上下限难以确定。因此我们将有效散射体近似地考虑为圆形薄板的叠加，通过对圆形薄板的面积进行积分计算得到有效散射体的体积。
[0048]
将散射体切分为若干圆形薄片，使每个薄板都垂直于发射波束的轴。对圆形薄板
的面积进行积分即可求得散射体体积，此时的圆形薄板半径计算公式为因此，微分体积可以写成：
[0049][0050]
其中ds是圆板的面积，当板自身到tx的距离等于r1时，为了进一步简化单散射模型，我们假设光子在同一平板上的传输方向和传输距离与光子在该平板中心的传输方向和传输距离一致，中心是该平板与发射光束轴的交点。
[0051]
发射波束的轴穿过视场角并与接收视场角锥体有两个交点，这两个交点决定了
r1max
和
r1min
的值，即积分的上下限。发射波束轴的参数方程可以表示为：
[0052][0053]
视场角锥的锥面方程可以写成：
[0054][0055]
联立式(2)和式(3)，可得：
[0056]
a1r
12
b1r1 c1＝0(4)；
[0057]
根据数学公式推导，如果在rx的锥体上有两个交点，则δ1》0，a1≠0。因此式(4)的解集为：
[0058][0059]
因此r
1min
＝min(r1)，且r
1max
＝max(r1)。
[0060]
根据高斯-勒让德求积法则，
[0061][0062]
其中tk是勒让德多项式的k次根，权重wk可以表示为最终通过简化的接收能量计算公式得到路径损耗计算方法。
[0063]
作为一种实施例；在窄视场角条件下单散射紫外通信系统，和2)的情况一致，我们设有效散射体为圆形薄板的叠加，如图3所示，每一块都垂直于rx的轴线。同样，有效散射体中的微分体积可以写成我们假设在同一平板上的光子的传输方向和传输距离与在平板中心的光子的传输方向和传输距离是一致的，该中心是该平板和视场角轴的交点。
[0064]
我们假设接收视场角的轴穿过发射波束，并且在发射波束的圆锥上有两个交点，
积分的上限和下限由这两个交点决定。
[0065]
接收视场角轴的参数方程可以写成：
[0066][0067]
发射波束锥的锥面方程可以表示为：
[0068][0069]
联立式(7)与式(8)，可得：
[0070][0071]
由于如果在tx的锥体上有两个交点，则δ2》0，a2≠0。因此(9)的解集为：
[0072][0073]
因此且
[0074]
根据高斯-勒让德求积法则，
[0075][0076]
其中得到简化后的接收能量计算公式，以便计算路径损耗。
[0077]
3)，简化的路径损耗模型；
[0078]
紫外光系统的路径损耗以分贝为单位定义为将式(6)和式(11)代入上式，非共面nlos紫外通信系统的简化pl模型可以表示为：
[0079][0080]
最终即可得到窄波束条件与窄视场角条件下的简化后的路径损耗计算公式。
[0081]
步骤2和步骤3所提出的模型可以用于非共面单散射通信系统，但整体应满足以下要求：
[0082]
在窄波束情况下，tx轴应与rx的锥体有两个交点，这是tx方位角的适用范围；
[0083]
在窄视场角情况下，rx轴应与tx的锥体有两个交点，这是rx方位角的适用范围。
[0084]
本发明非直视紫外光通信单散射的路径损耗模型的简化方法，通过合理地设计与计算，能够通过更简单的计算方法计算得更准确的散射体体积，其具有一定的实用性。