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紫外光通信是一种新型的自由空间光通信技术。由于大气层的强烈吸收,使来自宇宙空间的波长小于290nm的紫外光在到达地球表面之前就已被吸收干净,因而近地表面基本就没有了来自太阳辐射的干扰。
由于大气中各种成分以及复杂多变的天气条件会对紫外光的传输产生很大的影响,因此,在紫外光通信研究中,大气信道研究是显得尤为重要,本文对此开展了研究。
第一,基于大气信道的特点,分析了大气吸收、大气散射、大气湍流对紫外光传输的影响。大气对紫外光的吸收主要以氧和臭氧的吸收为主,大气对光束的散射可分为分子散射和粒子散射。在近地面大气中,分子散射的影响是很小的,造成光能量衰减的主要是悬浮粒子的散射,研究了粒子散射的特征衰减并计算了不同波长紫外光的散射系数。分析了大气湍流的成因及对光传输的影响,大气湍流引起了光强的起伏,其表现形式为光强闪烁、光束漂移、到达角起伏等。
第二,探讨了大气吸收和大气散射引起的大气衰减。大气衰减的强弱通常用透射率来表示,分析了透射率随传输距离和波长变化的关系,以及透射率随大气能见度变化的关系。紫外光透射率与波长、能见度、传输距离、经验系数有关;随着波长的增加,紫外光的大气透明度随着增大,同时,波长越长,增加的趋势减小;传输距离增大,紫外光的透射率降低,而且传输距离越远,透射率下降的趋势加大;能见度越大透射率就越大,在能见度较差时,透射率相对较低。
第三,研究了Luegtten等人提出的基于椭球坐标系的单散射信道模型,只要通信系统各参数和大气的消光与散射特性确定,就可以对系统性能进行计算分析。研究表明:随着收发仰角的增大,接收到的散射能量逐渐减小,特别是当仰角等于45°左右(即接收视场半角)的时候,散射能量开始显著减小;随着发散角与接收视场角的增加,在角度较小时,接收到的散射能量也逐渐增加,但当角度增加到一定值时,接收到的散射能量逐渐较小,减小速度比增加速度小;随着传输距离的增加,信号衰减加大,直到中断通信。
最后,利用已初步研制成功的试验系统进行了室内与室外实验,研究了在不同大气能见度、不同传输距离及不同气候条件下紫外光的传输特性,并得到了实验结论。