一种非直视紫外光通信单次散射过程路径损耗计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于紫外光通信技术领域，具体涉及一种非直视紫外光通信单次散射过程 路径损耗计算方法。
【背景技术】
[0002] 紫外光通信就是把紫外光作为信息传输的载体，将需要传输的信息加载到紫外光 上，以实现信息的发送和接收。在无线激光通信中，采用的是直视的通信方式，即发射端与 接收端必须对准。非直视通信是指发射端发射出的紫外光子在大气中传输时，由于紫外光 波长很短，被大气粒子散射而能够绕过障碍物到达接收端的过程。只要发射端发散角能够 与接收端接收视场角在空中形成公共散射体，那么非直视(non-line_of-sight，NLOS)通信 就变得可能。当直视通信无法实现时，NLOS通信则能保证发射端和接收端之间通信的畅通。
[0003] 关于NLOS紫外光大气传输的理论模型现在采用的主要方法有单次散射近似法和 蒙特卡罗(Monte Carlo，MC)方法。经典的单次散射模型通过三重积分求通信系统的路径损 耗(path loss，PL)，但是，在仿真过程中复杂的三重积分很难实现。如果用简化公式来代替 三重积分，要求公共散射体是闭合的，发散角和接收视场角比较小。MC方法是一种以概率统 计理论为基础的计算方法，可以通过MC方法来对单次散射传输过程进行仿真，但是存在计 算量大，耗时久的问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种非直视紫外光通信单次散射过程路径损耗计算方法，解 决了现有的经典单次散射模型仿真困难和MC算法仿真时间过长的问题。
[0005] 本发明所采用的技术方案是，一种非直视紫外光通信单次散射过程路径损耗计算 方法，具体按照以下步骤实施：
[0006] 步骤1:设定发射端和接收端的参数，定义区域V'，公共散射体厂CT，求出V'的范 围；
[0007] 步骤2:将区域，分为若干个微元V"，在球坐标系中，得到微元的坐标；
[0008] 步骤3:遍历区域疒分割成的若干个微元V"，判断微元V〃是否在公共散射体V内，如 果在公共散射体V内计算被微元V"散射后被Rx接收到的能量，将被微元V"散射后被Rx接收 到的能量相加，计算得到Rx接收到的总能量，求出路径损耗。
[0009] 本发明的特点还在于，
[0010] 步骤1具体为：
[0011]在紫外光NLOS通信中，Ct和Cr分别表示发射端Tx的发散角圆锥和接收端Rx的视场 角FOV圆锥，点T为Ct的顶点，点1?为&的顶点，点H为Ct的任意横切面的圆心，点LSC r的任意 横切面的圆心，即TH为Ct的中心轴线，RL为Cr的中心轴线，发射端发散半角为約，发射仰角为 TH和其在XOY平面投影的夹角0*，坐标原点〇与点T重合，接收端视场半角为.，接收仰角为 RL和其在XOY平面投影的夹角0r，TH在XOY平面的投影与X轴的夹角at是Ct的偏轴角，RL在XOY 平面的投影与X轴的夹角ar是Cr的偏轴角，d是点T到点R的直线距离，（0t，at)和（0 r，ar)确定 了Ct和Cr的方向；
[0012]发散角圆锥和FOV圆锥的公共区域为公共散射体V，即V = Ct Π Cr，点S为公共散射体 V内的散射点，发射端发射一个光子，光子在点S被散射，在以坐标原点为参考点，由方位角、 顶角和距离构成球面坐标系下，OS与Z轴的夹角Θ为光子入射的顶角，OS在XOY平面的投影与 X轴的夹角a为方位角，从发射端T到点S的距离为r，光子的入射方向和指向接收端的散射方 向构成的夹角为散射角队乂为散射点S和点R的连线与RL构成的夹角，r'是从点S到接收端R 的距离；
[0013] 光子在传输的过程中，遇到V内的体积微元δν发生散射，到达Rx的能量dEr为：
[0014] (T)
[0015] 其中?,=2π( I-COS%)是Rx的立体角，Et是发射光束能量，Ar是接收探测面面积，P (C〇Si3s)是散射相函数，ke是消光系数，吸收系数ka和散射系数k s之和构成了通信过程中大 气的消光系数ke，即ke = ks+ka;
[0016] 散射相函数P(C〇Si3s)是瑞利散射相函数PR(C〇si3 s)和米氏散射相函数PM(C〇si3s)的 加权苹
[0017] (2)
[0018] 其中，ksR是瑞利散射的散射系数，ksM是米氏散射的散射系数，k s = ksR+ksM;瑞利散 射相函数?\(3 08&)为：
[0019]
[0020]
[0021] (4)
[0022] 其中，γ、g和f是模型参数；
[0023] 在球坐标系中，体积微元为δν = Γ28；?ηθδθδαδ；Γ，
[0024] 则，被公共散射体V散射后被Rx接收到的总能量Er为：
[002
(5)[0026] 定义区域￥/，范围为[91^，0111￡?]、[(111^，(1 111￡?]、[1^，1'111￡?]，使[/^",[0027]
[0029] 过点H做线GH平行于XOY平面，G点为线GH与Ct的交点，G点在XOY平面的投影为G'，在线TH上选取任意一点E，E点在XOY平面的投影为E '，应用三角定理，
[0028] (6) (7)
[0031] 对于共面的情况，公共散射体的体积是最大的，TP是发散角圆锥的中心轴线，RQ是 FOV圆锥的中心轴线，P点在XOY平面的投影为P'，Q点在XOY平面的投影为Q'，点K、M、U、W为Ct 和Cr的四个交点，Z PTP' = Θt，Z QRQ' = 0r，Z UTP和Z PTM等于朽，Z KRQ和Z QRM等于f r，所 以
对于 AUTR，由正弦函数可得，UT为：
[0032] (_8)
[0033] _4] m
[0035] 另
[0036] rmin=min[UT，MT]，rmax=max[WT，KT](10)
[0037]对于无界的公共散射体V，rmax-°°，
[0038] 至此，区域r的范围可得。
[0039] 步骤2具体为：
[0040] 设置3个整数队、仏、咏，区域[1^，1'111￡?]、|>11^，€[ 111￡?]和[011^，0111￡?]分别被分为队、仏、 Ne等份，因此区域y被分为了NrNaNe个微元V"，另Nr、Na、Ne均等于N，那么区域，就被分为了N 3 个微元V 〃，假设3个整数i、j、k，且1^」，1^^为区域匕_^_]被分的第1份，」为区域 [amin，a max]被分的第j份，k为区域[Qmin，0max]被分的第k份，[i，j，k]代表一个微元V"，A、B、C、 D为区域疒内的一微元V"的四个顶点，点S是V"的中心，设置3个变量ru，au，0U，BC的长度r u = (rmax-rmin)/N; Z ATB = (0max-0min)/N = 0U;点B和点D在XOY平面的投影分别为B ' 和D '，Z B' TD7 =(amax-amin) /N=au，在球坐标系中，点S、A、B、C、D的坐标可由如下公式得到：
[0041]
[0042]
[0043]
[0044]
[0045]
[0046] 在笛卡尔坐标系中，点S的坐标可由如下公式得到：
[0047] [xs,yS,zs]=[rs sin(qs)cos(as),rs sin(qs)sin(as),rs cos(qs)] (12)〇
[0048] 步骤3具体为：
[0049] 已知点T的坐标为(0,0,0)，点R的坐标为(d，0,0)，定义[T-E]和[R^F]是点T到点 E和点R到点F的单元方向矢量，定义[T-S ]和[R^S ]是点T到点S和点R到点S的矢量，公式如 下所示：
[0050] [T^E] = [ Cosqtcosat, Cosqtsinat, s inqt]
[0051] [R^F] = [ cosqrcosar, cosqrsinar, sinqr ] (13)
[0052] [T^S] = [xs,ys,zs]
[0053] ΓR^Sl = Γx^-d .VR. 7λ1
[0054]
[0055] (Η)
[0056]
[0057] 如果（ZSTE < p,)n(ZSRF <外.)为真，那么中心点s在区域V内；[0058] 因为微元V"非常小，可以将微元近似认为就是点S，则散射角&近似为：
[0059]
[0060]
[0061]
[0062]
[0063] 其中，（=251^^，= |1?45|;
[0064] 遍历区域V'分割成的N3个微元V〃，如果（ZSTE < % )n(Z：SRF <