趙太飛， 劉　園， 王　玉， 金　丹

(西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

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直升機(jī)助降湍流信道中紫外光通信性能分析

趙太飛， 劉園， 王玉， 金丹

(西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

無(wú)線紫外光通信具有全天候、非直視、高可靠性的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的通信。利用直升機(jī)助降過(guò)程中的無(wú)線紫外光通信鏈路模型，研究了直升機(jī)助降場(chǎng)景中可能存在的水平通信、垂直通信和斜程通信，分析了大氣湍流對(duì)無(wú)線紫外光通信信號(hào)強(qiáng)度概率密度函數(shù)方差的影響。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明：湍流強(qiáng)度對(duì)紫外光通信性能影響很大，隨著通信距離、垂直高度差和收發(fā)仰角的增大，信號(hào)強(qiáng)度概率密度方差和能量衰減逐漸增大。

紫外光通信； 直升機(jī)助降； 大氣湍流

近年來(lái)，隨著直升機(jī)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，如何解決其降落過(guò)程中突發(fā)狀況導(dǎo)致的安全著陸問(wèn)題變得尤為重要，因此直升機(jī)應(yīng)急起降輔助技術(shù)成為新的研究熱點(diǎn)[1]。紫外光引導(dǎo)直升機(jī)助降技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)全天候、復(fù)雜環(huán)境、可靠性高的直升機(jī)起降，該技術(shù)是利用紫外光散射特性進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境下全天候通信的一種直升機(jī)應(yīng)急安全保障手段，其非直視的工作特點(diǎn)能夠更好的適應(yīng)復(fù)雜的地理環(huán)境，因此，無(wú)線紫外光通信輔助起降技術(shù)在實(shí)際中得到了更廣泛的應(yīng)用。

大氣湍流是影響紫外光通信效果的重要天氣因素，文獻(xiàn)[2]中提出一種全天候的無(wú)線紫外光輔助起降通信系統(tǒng)，以解決直升機(jī)起降過(guò)程中的飛機(jī)引導(dǎo)、信息獲取、通信建立等重要問(wèn)題。文獻(xiàn)[3]給出了各種衰減的評(píng)估，給出了不同種類大氣狀況和系統(tǒng)參數(shù)的理論計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為湍流相對(duì)較強(qiáng)時(shí)，閃爍衰減隨著距離的增加而增加。文獻(xiàn)[4]在分析散射功率和隨機(jī)湍流介質(zhì)特性關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立了單次散射傳播模型，分析了不同折射率結(jié)構(gòu)和收發(fā)范圍情況下非直視紫外光通信接收功率的依賴性。上述文章研究了無(wú)線紫外光輔助起降系統(tǒng)湍流情況下，閃爍衰減與距離的關(guān)系以及隨機(jī)湍流介質(zhì)下的單次散射模型，但都未對(duì)大氣湍流對(duì)直升機(jī)助降的影響做出分析研究。因此，本文對(duì)直升機(jī)助降場(chǎng)景下的水平通信、垂直通信以及斜程通信方式中的紫外光通信性能進(jìn)行研究，分析這三種通信方式下，大氣湍流以及通信距離等因素對(duì)紫外光通信性能的影響。

1　直升機(jī)助降中的紫外光通信原理

1.1直升機(jī)助降中紫外光單次散射鏈路

在直升機(jī)助降系統(tǒng)使用過(guò)程中，發(fā)送端將其攜帶的傳感器所測(cè)風(fēng)力、風(fēng)向及降落環(huán)境等地面信息發(fā)送給直升機(jī)，飛行員根據(jù)地面實(shí)際降落條件，操作直升機(jī)安全降落。將紫外光用于直升機(jī)助降時(shí)，由于收發(fā)端存在一定的高度差，故需要考慮大氣湍流對(duì)通信性能的影響，本文主要研究不同通信場(chǎng)景下大氣湍流對(duì)紫外光通信性能的影響。

圖1　直升機(jī)助降下紫外光斜程通信幾何鏈路Fig.1　UV slant path communication model in helicopter assisted landing

(1)

(2)

(3)

1.2大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)垂直分布

圖2　大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)垂直分布Fig.2　Index of refraction structure parameter vertical distribution

大氣湍流會(huì)引起接收信號(hào)的強(qiáng)度產(chǎn)生隨機(jī)起伏，而信號(hào)強(qiáng)度的隨機(jī)起伏會(huì)降低通信系統(tǒng)的可靠性，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)通信中斷。因此，為了有效減小湍流效應(yīng)，改善系統(tǒng)性能，必須減弱信號(hào)強(qiáng)度起伏。

2　紫外光通信下的大氣湍流模型

大氣湍流對(duì)無(wú)線紫外光通信性能的影響非常大，大氣湍流理論中信號(hào)強(qiáng)度分布模型均是建立在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直視鏈路基礎(chǔ)上，對(duì)于紫外光非直視通信不能直接計(jì)算收發(fā)兩端的信號(hào)強(qiáng)度分布，對(duì)此，可以將非直視通信過(guò)程看成兩段直視鏈路通信，利用兩個(gè)直視鏈路通信接續(xù)過(guò)程來(lái)計(jì)算接收端的信號(hào)強(qiáng)度分布。

紫外光單次散射通信模型如圖3所示。其中發(fā)送端與接收端位于同一水平面上，φ1為發(fā)送端發(fā)散角，φ2為接收端視場(chǎng)角，δV為有效散射體的微分元。

圖3　紫外光單次散射通信模型Fig.3　Ultraviolet single scattering link model

(5)

式中，Ar是有效接收孔徑面積，Ks是散射系數(shù)，Ps是散射相函數(shù)，Ke是大氣消光系數(shù)。

弱湍流情況下，紫外光的信號(hào)強(qiáng)度分布服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型，其概率密度函數(shù)為[9]：

(6)

(7)

(8)

歸一化信號(hào)強(qiáng)度分布概率密度函數(shù)可以采用對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型計(jì)算，即[10]：

(9)

式中，〈I〉表示光強(qiáng)起伏均值，I/〈I〉表示歸一化的信號(hào)強(qiáng)度。

從發(fā)送端到達(dá)有效散射體積(即路徑1)的信號(hào)強(qiáng)度概率密度函數(shù)為:

(10)

從有效散射體到接收端(即路徑2)的信號(hào)強(qiáng)度的條件概率密度函數(shù)為[10]：

(11)

則接收端信號(hào)強(qiáng)度的邊緣分布概率密度函數(shù)為[8]：

f(ir2)=∫f(ir2|ir1)·f(ir1)d(ir1)

(12)

3　不同場(chǎng)景下通信的仿真性能分析

3.1水平通信和垂直通信

當(dāng)大氣湍流強(qiáng)度從10-16m-2/3增大到10-13m-2/3，收發(fā)端仰角θ1=θ2=60°時(shí)，紫外光通信中信號(hào)強(qiáng)度分布的概率密度函數(shù)如圖4所示。圖4(a)、圖4(b)是水平通信下，r=200m時(shí)，不同大氣湍流強(qiáng)度下的紫外光直視(line-of-sight，LOS)、非直視(non-line-of-sight，NLOS)通信；圖4(c)、圖4(d)是垂直通信下，h=100m時(shí)，不同大氣湍流強(qiáng)度下的紫外光LOS、NLOS通信。

圖4　不同大氣湍流強(qiáng)度對(duì)紫外光通信的影響Fig.4　UV communication for varying turbulence intensities

圖5　r′對(duì)紫外光通信的影響Fig.5　UV communication for varying r′

由圖5(a)、(b)可知，水平通信下，當(dāng)r為100m和200m時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度概率密度函數(shù)方差較小，且信號(hào)能量衰減較??；r為500m和1000m時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度概率密度函數(shù)方差較大；當(dāng)r為1000m時(shí)，信號(hào)能量衰減很?chē)?yán)重，即隨著r的增大，信號(hào)能量衰減也逐漸增大。由圖5(c)、(d)可知，垂直通信下，當(dāng)湍流強(qiáng)度一定，相較h為100m和150m，h為30m和50m時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度概率密度函數(shù)方差更小，能量衰減小，即隨著h的增大，信號(hào)強(qiáng)度概率密度函數(shù)方差也逐漸變大，能量衰減增加。總體看來(lái)，r′的不斷增大，使信號(hào)強(qiáng)度概率密度函數(shù)方差隨之變大，信號(hào)能量衰減不斷增加，從而使通信質(zhì)量下降。兩種通信方式下，LOS通信均比NLOS通信信號(hào)強(qiáng)度概率密度函數(shù)方差更小，信號(hào)能量衰減更小。

圖6　不同角度對(duì)紫外光通信的影響Fig.6　UV communication for varying angles

3.2斜程通信

圖7　r對(duì)紫外光通信的影響Fig.7　UV communication for varying r

由圖7可知，LOS通信中，r為100m和150m時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度概率密度函數(shù)方差較r為200m和300m時(shí)?。籸從100m增大到300m過(guò)程中，信號(hào)能量衰減近一半，即隨著r增大，信號(hào)強(qiáng)度概率密度函數(shù)分布越分散，方差越大，說(shuō)明信號(hào)能量衰減也逐漸增大；r相同時(shí)，相比于LOS通信，采用NLOS通信時(shí)信號(hào)強(qiáng)度概率密度函數(shù)分布較為分散，能量衰減更為嚴(yán)重，更不利于通信。

圖8　h對(duì)紫外光通信的影響Fig.8　UV communication for varying h

從圖8中可以看出，隨著收發(fā)端h的增大，信號(hào)強(qiáng)度概率密度函數(shù)方差逐漸增大，信號(hào)能量衰減逐漸增大，且NLOS通信相較于LOS通信信號(hào)能量衰減得更嚴(yán)重。主要原因是隨著h的增大，湍流強(qiáng)度雖然大大減弱，但是h對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響大于湍流強(qiáng)度對(duì)其的影響。

總體看來(lái)，斜程通信中湍流強(qiáng)度、垂直高度差h以及收發(fā)仰角均確定時(shí)，隨著r的增大，信號(hào)強(qiáng)度概率密度函數(shù)分布越分散，即方差越大，說(shuō)明能量衰減越大，進(jìn)而導(dǎo)致通信質(zhì)量下降；當(dāng)水平距離r、收發(fā)仰角以及湍流強(qiáng)度確定時(shí)，信號(hào)能量衰減隨著h的增大而增大，且h對(duì)通信的影響強(qiáng)于湍流。

4　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

實(shí)驗(yàn)于2015年11月在西安理工大學(xué)操場(chǎng)進(jìn)行，天氣晴朗，實(shí)測(cè)風(fēng)速為20m/s。在垂直通信、水平通信以及斜程通信三種情況下，利用六旋翼飛行器對(duì)紫外光接收功率與r′之間的關(guān)系進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖9所示。

從圖9中可以看出，隨著距離r′的增大，三種通信條件下，紫外光接收光功率整體均呈現(xiàn)減弱的趨勢(shì)，即信號(hào)能量衰減不斷增大；在r′小于20m時(shí)，接收光功率變化起伏，在r′大于20m時(shí)，接收光功率趨于線性減??；且r′對(duì)水平通信的影響最大，對(duì)斜程通信的影響次之，對(duì)垂直通信的影響最小。

5　結(jié)　語(yǔ)

本文利用無(wú)線紫外光散射通信的原理，分析了直升機(jī)助降下的通信鏈路和基于高度差的紫外光通信模型，討論了直升機(jī)助降下可能存在的水平通信、垂直通信和斜程通信等方式，研究了紫外光通信在大氣湍流信道下的信號(hào)強(qiáng)度分布概率密度函數(shù)，以及收發(fā)端距離對(duì)不同場(chǎng)景下紫外光通信信號(hào)強(qiáng)度分布的影響。最后實(shí)測(cè)了三種通信場(chǎng)景下，收發(fā)端距離對(duì)紫外光接收光功率的影響，結(jié)果表明，接收光功率隨著收發(fā)端距離的增大呈減小的趨勢(shì)，且通信質(zhì)量隨之下降。

[1]ZHANG Hailiang, YIN Hongwei, JIA Honghui, et al. Study of effects of obstacle on non-line-of-sight ultraviolet communication links [J]. Optics Express, 2011, 19(22): 21216-21226.

[2]趙太飛，吳鵬飛，宋鵬. 無(wú)線紫外光直升機(jī)輔助起降通信技術(shù)研究[J]. 激光雜志, 2014, 35(10): 9-13.

ZHAO Taifei, WU Pengfei, SONG Peng.Research on the wireless ultraviolet communication technology in helicopter launching and landing guidance[J]. Laser Journal, 2014, 35(10): 9-13.

[3]XIAO Houfei, ZUO Yong, FAN Cheng, et al. Non-line-of-sight ultraviolet channel parameters estimation in turbulence atmosphere[C]// IEEE, Communications and Photonics Conference (ACP)，Guangzhou, 2012: 1-3.

[4]XIAO Houfei, ZUO Yong, WU Jian, et al. Non-line-of-sight ultraviolet single-scatter propagation model in random turbulent medium[J]. Optics Letters, 2013, 38 (17): 3366-3369.

[5]何華，柯熙政，趙太飛.基于高度的紫外光NLOS單次散射鏈路模型的研究[J].激光技術(shù)，2011, 35(4): 495-498.

HE Hua, KE Xizheng, ZHAO Taifei. Research of NLOS ultraviolet single scattering link model with height information[J]. Laser Technology, 2011, 35(4): 495-498.

[6]何華.無(wú)線紫外光通信及其組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2011.

HE Hua. Study on key technology of ultraviolet communication and ultraviolet networking[D]. Xi’an: Xi’an University of Technology, 2011.

[7]馬保科.湍流大氣中(光)波束傳播的相關(guān)問(wèn)題研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2008：1-100.

MA Baoke. Study on the related problems of (light) beam propagation in the atmospheric turbulence[D]. Xi’an: XiDian University, 2008: 1-100.

[8]ZUO Yong, XIAO Houfei, WU Jian. Effect of atmospheric turbulence on Non-line-of-sight ultraviolet communications[C]// 2012 IEEE 23rd International Symposium on Persoal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC). IEEE, Sydney, NSW, 2012: 1682-1686.

[9]MAJUMDAR A K. Free-space laser communication performance in the atmospheric channel [J]. Journal of Optical and Fiber Communications Research, 2005, 2(4): 345-396.

[10]DING Haipeng, CHEN Gang, MAJUMDAR A K, et al. Turbulence modeling for non-line-of-sight ultraviolet scattering channels [J]. SPIE Defense, Security and Sensing, 2011, 8038(1):73-81.

(責(zé)任編輯周蓓)

Performance analysis of ultraviolet communication in helicopter assisted landing

ZHAO Taifei, LIU Yuan, WANG Yu, JIN Dan

(School of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Ultraviolet (UV) communication has the characteristics of all-weather, non-line-of sight and high reliability, which can satisfy communication in complex environments. In this paper, using the helicopter assisted landing by wireless UV communication model, the research is conducted on the turbulence channel performance of different communication scenarios, including horizontal transmission, vertical transmission and slant path transmission. Finally, the variance of the probability density function of the received irradiance fluctuation with turbulence is analyzed. The computer simulation results show that turbulence has a great influence on the performance of UV communication. UV signal can hardly be received with strong turbulence. The variance of probability density function and energy attenuation increases, while the range, height difference, or transceiver elevation angle increases.

ultraviolet communication; helicopter assisted landing; atmospheric turbulence

1006-4710(2016)02-0163-06

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.02.006

2015-10-20

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)-中國(guó)民航局民航聯(lián)合研究基金資助項(xiàng)目(U1433110)；陜西省科技計(jì)劃工業(yè)公關(guān)資助項(xiàng)目(2014K05-18)；陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育資助項(xiàng)目(2013JC09)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助資助項(xiàng)目(2013JC2-15)；西安市科學(xué)計(jì)劃資助項(xiàng)目(CXY1435(4))；西安市碑林區(qū)科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(GX1302)

趙太飛，男，副教授，博士，研究方向?yàn)樽贤夤馔ㄐ藕臀锫?lián)網(wǎng)。E-mail：zhaotaifei@163.com

TN926

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